本发明专利技术属于太阳能聚光光伏发电领域，具体涉及在聚光光伏发电系统中采用子镜阵列(有时也称列阵透镜、复眼透镜、或蝇眼透镜)近场光束衍射叠加方法，运用传统透镜、菲涅耳透镜、反射镜、波带板(片)、柱面透镜或柱面反射镜、及其列阵等光学元件在半导体太阳能电池上形成形状匹配的均匀聚光，以达到高效的太阳能电池利用与光电转化效率。本发明专利技术采用子镜阵列将入射太阳光在空间上分解成数道子光束，这些子光束经过近场衍射和传输，在会聚光学元件的焦点附近，也即是半导体太阳能电池的位置上，非相干叠加合成形状和尺寸与电池匹配的均匀聚焦光斑。本发明专利技术的优点是：用较简单的光学系统实现形状和尺寸与电池匹配的均匀聚焦光斑，聚光倍数能灵活调节，适用于高倍聚光光伏系统，所需箱体小，成本低，受系统位置偏差和不均匀入射太阳光的影响比较小。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于太阳能应用领域，具体涉及在聚光光伏(Concentrating Photovoltaic, CPV)发电系统中采用近场光束衍射叠加方法，运用透镜、菲涅耳透镜、波带板(片)、反射镜、柱面透镜或柱面反射镜，及其列阵等光学元件形成形状和尺寸与半导体太阳能电池匹配的均勻聚光，以达到高效的太阳能电池利用与光电转化效率。2.背景技传统聚光光伏系统通常使用一级或多级光学系统，将太阳光会聚在半导体太阳能电池上。由于聚光作用，所需半导体太阳能电池的面积可以远远小于整个系统接收的入射太阳光的面积，从而大大节省太阳能电池的材料使用，降低聚光光伏系统的成本。在此基础上，可以使用效率很高、成本也相对较高的三五(III-V)族多结半导体太阳能电池(例如目前已有的砷化镓类三结半导体电池效率已经达到41% )，从而提高聚光光伏系统的发电效率。另外，相对于单倍太阳光照，采用会聚太阳光能的方式还可以提高半导体太阳能电池本身的能量转化效率和利用率。考虑到晶片切割的成本，半导体聚光太阳能电池片通常为长方形或正方形，但也不排除别的特殊形状。聚光光伏系统中的光学设计应该使得会聚的太阳光聚焦光斑与电池的形状和尺寸相匹配，并均勻地照射在聚光电池上。如聚焦光斑与电池的形状不匹配，会造成聚光电池面积的浪费或者部分会聚光斑能量不能够被有效接收；如聚焦光斑不均勻，则会降低相应的聚光电池效率。为了在聚光光伏系统中产生与电池形状和尺寸匹配的均勻聚焦光斑，在一项近期的美国专利申请(申请号us 2008/0041441 Al)中聚光设计采用长方形棱镜阵列。阵列中的每个长方形子棱镜都分别将照射于其上的太阳光均勻折射到长方形的聚光电池上。这个方法的一个局限性是每个子棱镜的大小需要跟聚光电池的大小相似，也就是说，如果采用会聚500倍的高倍聚光光伏系统，此棱镜阵列需要500个子棱镜，造成生产加工上的困难利高成本。此方法的另一个局限性是不能有较高的数值孔径，导致聚光光伏组件的箱体较厚。另一个美国专利申请(申请号US 2007/0251568 Al)公开了一个类似的采用子透镜/子反射镜阵列的光学成像会聚系统。这个方法的一个局限性是基于几何成像叠加，严格的物像关系要求将子透镜/子反射镜阵列放在二级光学元件前的 2倍焦距处，导致整个光学系统沿光轴方向至少需要3倍焦距以上的厚度。和前一个专利类似，此方法也要求阵列中的子镜和聚光电池大小相似，同样不适用于高倍聚光光伏系统。透镜列阵过去曾用于激光核聚变和X射线激光中，用来产生均勻的激光场。激光场的相干性很容易产生由列阵边缘带来的干涉和强衍射，所以列阵只能放在主镜的附近。该技术中主透镜和子透镜均为圆透镜，只是对于均勻线聚焦，子透镜改为柱透^Mi ο透镜列阵有时也被称为列阵透镜、蝇眼透镜或复眼透镜。本专利技术采用子透镜/子反射镜阵列，利用太阳光的近场光束衍射非相干叠加方法来实现具有与光伏电池相似形状的均勻聚光。3.
技术实现思路
本专利技术使用透镜/反射镜等光学元件阵列，首次将近场光束衍射叠加方法用于聚光光伏系统，利用太阳光的近似非相干性以期获得拥有理想形状的(与光伏电池形状相似)、强度均勻的聚光。并在聚光系统上，提出了一系列新颖的设计。由于子镜阵列的存在，整个系统有效焦点位于主透镜焦点的前方或后方。对于一个理想几何光学系统(各光学元件具有抛物面形)，通过子镜阵列分解的子光束在主透镜的焦点上有着完全一样的横截面，所有子光束在这一焦点上的叠加会产生一个均勻的光斑。由于太阳光的不相干性和近场衍射，光斑形状和阵列中的子镜相同，而光斑的尺寸大小则由主镜和子镜的各自焦距和相互位置决定。本专利技术采用的阵列中的子镜可以是透镜、菲涅耳透镜、波带板(片)、反射镜、菲涅耳反射镜等会聚/发散光学元件，并具有抛物面形或近抛物的非球面以消除/减少球形像差，但一些小面积或长焦元件也可使用常用的球面。其形状和光伏电池形状应相同。一维聚光系统，会通常采用一维抛物柱面镜。本专利技术采用的主镜可以是透镜、菲涅耳透镜、波带板、反射镜、菲涅耳反射镜等会聚/发散光学元件，或它们的组合。并具有抛物面形或近抛物的非球面以消除/减少球形像差，但一些小面积或长焦元件也可使用常用的球面。一维聚光系统，会通常采用一维抛物柱面镜。近场衍射使太阳光聚焦光斑具有和子镜同样的形状，子光束的衍射叠加产生均勻和亮度加强的聚光。子透镜/子反射镜阵列可以放在聚光光伏系统的任何一级。只要满足近场条件，阵列距离其他光学元件可以在一定范围内随意调节，从而导致整个聚光光伏系统组装箱体减小，成本降低。本专利技术的优越性在于1.产生和光伏电池形状相似的均勻聚光；2.系统成本低，箱体小；3.在其他元件特性(焦距，光阑孔径)固定下，聚光倍数还可通过阵列与主镜的距离来调节，设计灵活机动，适用广泛；4.受器件相对太阳光位置偏差和不均勻入射太阳光的影响比较小；5.受光伏电池在光轴上的位置影响比较小。4.附图说明为方便起见，除非特别说明，下文中一律将抛物形透镜、菲涅耳透镜、球面与非球面透镜统称为透镜，而把抛物形反射镜、菲涅耳反射镜、球面与非球面反射镜统称为反射镜。在所有图中，Z坐标代表光轴方向，X、Y坐标代表垂直于光轴Z的平面。图1是传统聚光光伏系统的一级光学设计示意图。图中，11-入射太阳光，12-前窗，13-主透镜/凹面反射镜，14-会聚光斑及太阳能光伏电池。图2是传统聚光光伏系统的两级光学设计示意图。图中，21-入射太阳光，22-前窗，23-(第一级)主透镜/凹面反射镜，24-(第二级)透镜/反射镜，25-会聚光斑及太阳能光伏电池。图3是采用近场光束衍射叠加的一维、一级聚光光伏系统的光学设计示意图。图中，31-入射太阳光，32-前窗，33-柱面反射镜列阵，34-抛物形柱面，35-会聚光斑及太阳能光伏电池。图4是采用近场光束衍射叠加的二维、一级聚光光伏系统的光学设计示意图，子镜阵列靠近前窗。图中，41-入射太阳光，42-前窗，43-透镜/反射镜列阵，43a-透镜/反射镜列阵(正面视图)，44-抛物形主镜(凸透镜或凹面反射镜)，45-会聚光斑及太阳能光伏电池，45a-会聚光斑及太阳能光伏电池(正面视图)，F-主镜焦距，Δ-列阵与主镜间距。图5是采用近场光束衍射叠加的二维、两级聚光光伏系统的光学设计示意图，子镜阵列是作为主透镜后的第二级光学元件。图中，51-入射太阳光，52-前窗，53-抛物形主镜(凸透镜或凹面反射镜)，54-透镜/反射镜列阵，54a-透镜/反射镜列阵(正面视图)， 55-会聚光斑及太阳能光伏电池，55a-会聚光斑及太阳能光伏电池(正面视图)，F-主镜焦距，Δ -列阵与主镜间距。图6是显示采用近场光束衍射叠加的聚光光伏系统不受子镜阵列位置偏移或偏差的影响的示意图。图中，61-入射太阳光，62-主透镜/反射镜，63-沿Y轴偏离的光阑， 64-透镜/反射镜列阵，65-从不同子镜互补区域的光线会形成一个完整的光斑。图7是采用近场光束衍射叠加的一维、一级聚光光伏系统的示意图。为图示方便，前窗没有给出示意图。图中，71-入射太阳光，72-排列在抛物形柱面上的反射镜列阵， 73-抛物形柱面，74-会聚光斑及太阳能光伏电池。图8是采用近场光束衍射叠加的一维、两级聚光光伏系统的示意图，子镜阵列位置靠近前窗。图中，81-入射太本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：杨军，朱忻，
申请(专利权)人：杨军，朱忻，
类型：发明
国别省市：
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