宽光谱均匀焦平面Fresnel透镜的设计方法

摘要

本发明属于太阳能高倍聚光镜领域，特别涉及一种宽光谱均匀焦平面Fresnel透镜的设计方法。本发明针对目前应用最为广泛的GaInP/GaInAs/Ge三结聚光电池，综合考虑其每个子电池的光谱响应特性及透镜材料折射率与波长的色散关系，对所有锯齿的波长分别进行优化设计，从而优化锯齿的面型结构，以实现宽光谱均匀焦平面。本发明可有效降低透镜色散影响，有利于实现300～1800nm宽光谱范围内均匀聚光。

说明书

技术领域

本发明属于太阳能高倍聚光镜领域，特别涉及一种用于多结聚光太阳电池的 宽光谱均匀焦平面Fresnel透镜的设计方法。

背景技术

随着传统化石类能源的枯竭和环境污染的日益严重，太阳能光伏发电技术倍 受瞩目，但较高的发电成本制约了其大规模发展。而聚光光伏系统可有效克服太 阳能辐照面密度较低的缺陷，可望成为提高光电转换效率、降低太阳电池发电成 本的有效途径之一，其逐渐发展成为可与其他光伏技术抗衡的一种大规模发电技 术。

然而，国内聚光光伏系统研究尚处于起步阶段，仍存在一些技术问题需要解 决。目前，商业化聚光光伏电站多采用基于成像原理设计的平面Fresnel透镜。 传统Fresnel透镜在设计过程中，所有锯齿均采用单一波长（λ=550nm）即单一折 射率（硅胶材料，n=1.41）设计，如图1所示，忽略了多结太阳电池的光谱响应 特性及透镜材料折射率与波长的色散关系，普遍存在聚焦光斑不均匀等技术问 题，在300～1800nm宽光谱范围内的聚光效果并不理想，从而影响多结聚光电池 的光电转换效率。

发明内容

本发明针对目前应用最为广泛的GaInP/GaInAs/Ge三结聚光电池，提供了 一种宽光谱均匀焦平面Fresnel透镜的设计方法，综合考虑其每个子电池的光谱 响应特性及透镜材料折射率与波长的色散关系，对所有锯齿进行优化设计，从而 有效降低色散，改善焦平面的均匀性。

本发明所述方法采用如下步骤：

（1）根据GaInP/GaInAs/Ge三结聚光电池的光谱响应特性曲线，得到各子 电池光谱响应的中心波段，分别为450～650nm、750～950nm、1150～1550nm，依 次标记为：λ₁₁～λ_1k、λ₂₁～λ_2k、λ₃₁～λ_3k；

（2）透镜为轴对称结构，取其任意一侧，从中心锯齿旁的第一个锯齿开始， 每三个相邻的锯齿为一组，共计k组；前三个锯齿设为第1组，其波长依次选为 λ₁₁、λ₂₁、λ₃₁，最后三个锯齿设为第k组，波长依次取为λ_1k、λ_2k、λ_3k；

第1组至第k组锯齿的设计波长分别为：

$\left(\begin{array}{ccc}{\lambda }_{11}& {\lambda }_{12}& {\lambda }_{13}······{\lambda }_{1i}······{\lambda }_{1k}\\ {\lambda }_{21}& {\lambda }_{22}& {\lambda }_{23}······{\lambda }_{2i}······{\lambda }_{2k}\\ {\lambda }_{31}& {\lambda }_{32}& {\lambda }_{33}······{\lambda }_{3i}······{\lambda }_{3k}\end{array}\right);$

其中，第i组锯齿的设计波长取值为：

$\left(\begin{array}{c}{\lambda }_{1i}={\lambda }_{11}+(i-1)\times \Delta {\lambda }_1\\ {\lambda }_{2i}={\lambda }_{21}+(i-1)\times \Delta {\lambda }_2\\ {\lambda }_{3i}={\lambda }_{31}+(i-1)\times \Delta {\lambda }_3\end{array}\right);$

三个中心波段的起始波长及步长Δλ分别为：

$\left(\begin{array}{ccc}{\lambda }_{11}=450\mathrm{nm};& {\lambda }_{1k}=650\mathrm{nm};& \Delta {\lambda }_1=5\mathrm{nm}\\ {\lambda }_{21}=750\mathrm{nm};& {\lambda }_{2k}=950\mathrm{nm};& \Delta {\lambda }_2=5\mathrm{nm}\\ {\lambda }_{31}=1150\mathrm{nm};& {\lambda }_{3k}=1550\mathrm{nm};& \Delta {\lambda }_3=10\mathrm{nm}\end{array}\right);$

其中，k=L/2t，L为透镜的边长，t为一组锯齿的宽度，取值范围为0～5mm， k为不小于1的整数；

（3）根据各单齿的设计波长，结合透镜材料的折射率色散数据和平面Fresnel 透镜的设计公式，得到各单齿的具体结构。

所述平面Fresnel透镜为等齿宽的轴对称结构，透镜材料为高透过率钢化玻 璃复合硅胶SOG。

本发明的有益效果为：

针对目前应用最为广泛的GaInP/GaInAs/Ge三结聚光电池，综合考虑 300～1800nm宽光谱范围内，其每个子电池的光谱响应特性及透镜材料折射率与 波长的色散关系，优化所有锯齿的设计波长从而优化锯齿的面型结构，可有效降 低透镜的色散影响，有利于在300-1800nm宽光谱范围内实现均匀聚光，实现宽 光谱范围内的焦平面。

附图说明

图1是传统Fresnel透镜的截面示意图。

图2是本发明给出的Fresnel透镜的截面示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种宽光谱均匀焦平面Fresnel透镜的设计方法，下面结合附 图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明给出的Fresnel透镜的截面如图2所示，透镜材料为高透过率钢化玻 璃复合硅胶SOG，其设计过程采用如下步骤：

（1）根据GaInP/GaInAs/Ge三结聚光电池的光谱响应特性曲线，得到各子 电池光谱响应的中心波段，分别为450～650nm、750～950nm、1150～1550nm，依 次标记为：λ₁₁～λ_1k、λ₂₁～λ_2k、λ₃₁～λ_3k；

（2）透镜为等齿宽的轴对称结构，取其任意一侧，从中心锯齿旁的第一个 锯齿开始，每三个相邻的锯齿为一组，共计k组；前三个锯齿设为第1组，其波 长依次选为λ₁₁、λ₂₁、λ₃₁，最后三个锯齿设为第k组，波长依次取为λ_1k、λ_2k、λ_3k；

第1组至第k组锯齿的设计波长分别为：

$\left(\begin{array}{ccc}{\lambda }_{11}& {\lambda }_{12}& {\lambda }_{13}······{\lambda }_{1i}······{\lambda }_{1k}\\ {\lambda }_{21}& {\lambda }_{22}& {\lambda }_{23}······{\lambda }_{2i}······{\lambda }_{2k}\\ {\lambda }_{31}& {\lambda }_{32}& {\lambda }_{33}······{\lambda }_{3i}······{\lambda }_{3k}\end{array}\right);$

其中，第i组锯齿的设计波长取值为：

$\left(\begin{array}{c}{\lambda }_{1i}={\lambda }_{11}+(i-1)\times \Delta {\lambda }_1\\ {\lambda }_{2i}={\lambda }_{21}+(i-1)\times \Delta {\lambda }_2\\ {\lambda }_{3i}={\lambda }_{31}+(i-1)\times \Delta {\lambda }_3\end{array}\right);$

三个中心波段的起始波长及步长Δλ分别为：

$\left(\begin{array}{ccc}{\lambda }_{11}=450\mathrm{nm};& {\lambda }_{1k}=650\mathrm{nm};& \Delta {\lambda }_1=5\mathrm{nm}\\ {\lambda }_{21}=750\mathrm{nm};& {\lambda }_{2k}=950\mathrm{nm};& \Delta {\lambda }_2=5\mathrm{nm}\\ {\lambda }_{31}=1150\mathrm{nm};& {\lambda }_{3k}=1550\mathrm{nm};& \Delta {\lambda }_3=10\mathrm{nm}\end{array}\right);$

其中，k=L/2t，L为透镜的边长，t为一组锯齿的宽度，取值范围为0～5mm， k为不小于1的整数；

（3）根据各单齿的设计波长，结合透镜材料的折射率色散数据和平面Fresnel 透镜的设计公式，得到各单齿的具体结构。