專利名稱：基于非成像光學的光伏聚光器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光伏聚光器。
背景技術：
光伏發電系統中，太陽能電池的成本在整個系統成本中占很大比重。為了降低光伏發電的成本，最有效且快捷的方法是采用以有機玻璃為材料的聚光器將太陽光聚集到很小的太陽能電池表面。目前市場上應用的光伏聚光器按照聚光率可分為低倍聚光器(聚光倍數小于100)和高倍聚光器(聚光倍數大于100)。低倍聚光器是通過光學元件對光線的反射或折射達到匯聚太陽光的目的，可以實現寬集光角，但是低倍聚光致使收集太陽光的單位面積內太陽能電池的使用量仍然很大，不能大幅降低光伏發電的成本。高倍聚光器一般是通過菲涅耳透鏡對光線的折射及二次均化器的折射實現對太陽光線的高倍聚光，目前技術成熟的高倍聚光器的聚光倍數在200-500。根據菲涅耳透鏡的特點，更高倍數的聚光器存在高寬比太大的問題，不利于系統封裝和市場應用。
發明內容
本發明為了解決現有技術聚光倍數較低的聚光器存在成本高、聚光倍數低的問題，聚光倍數較高的聚光器集光角窄、高寬比太大的問題，提出一種基于非成像光學的光伏聚光器。 基于非成像光學的光伏聚光器，它由聚光器和太陽能電池組成，所述聚光器由主透鏡和二次透鏡組成，主透鏡和二次透鏡為軸對稱結構，主透鏡的上表面為平面，主透鏡的下表面分為兩部分， 一部分為TIR區，另一部分為RR區，所述RR區在所述TIR區的中心，所述TIR區共有N個TIR區菲涅爾齒，每個TIR區菲涅爾齒由折射面和全內反射面組成，每個TIR區菲涅爾齒的折射面與主透鏡的對稱軸的夾角均為cp，主透鏡和二次透鏡的材料折射率都為n，所述二次透鏡的軸截面的上表面由N段曲線組成，二次透鏡的下表面為平面，二次透鏡設置在主透鏡的正下方，并且所述二次透鏡與主透鏡同軸，太陽能電池的聚光面緊貼二次透鏡的下表面，并且所述二次透鏡的對稱軸穿過太陽能電池的聚光面的中心；
指定位于主透鏡最外側的TIR區菲涅爾齒為第一個齒，由外向內，依次為第二個齒、第三個齒……第N個齒，TIR區菲涅爾齒的形狀和二次透鏡的上表面的形狀是由下述方法獲得的 二次透鏡的上表面在直角坐標系中x軸負向區域的第一段曲線、以及第一個齒的全內反射面和折射面在直角坐標系中x軸負向區域的曲線段的的形狀是由下述方法獲得的 步驟一、根據公式Cg = A乂A。計算聚光器的幾何聚光率Cg，其中&為主透鏡的上表面的面積，A。為太陽能電池聚光面的面積； 步驟二、根據步驟一的公式確定幾何聚光率Cg和集光角ai ; 步驟三、以太陽能電池的聚光面中心作為坐標原點，二次透鏡的對稱軸為z軸建立直角坐標系，則太陽能電池的聚光面與所述直角坐標系相交的兩個邊界點的坐標分別為 R(r。，0)和R' (-r。，0);然后在所建立的直角坐標系中做如下操作；
首先，獲得二次透鏡的第一段曲線BC，執行步驟四和步驟五 步驟四、在x軸負向的第一個齒的全內反射面上選取邊界點A，在x軸負向的二次 透鏡的第一段曲線上選取邊界點B，根據點A、點B和點R'的坐標計算獲得一段二次曲線， 所述二次曲線為笛卡爾橢圓； 步驟五、根據由點A到點B邊界光線E(—)的反射光線和由步驟四確定的一段二次 曲線確定該段二次曲線的端點C，獲得二次透鏡的第一段曲線BC，其中光線E(—)與z軸成逆 時針夾角a2 ; 其次，獲得第一個齒的全內反射面曲線AF，執行步驟六和步驟七 步驟六、采用P-l個點將步驟五獲得的第一段曲線BC平均分成P份，依次對于每
個點，根據反射定律、折射定律和光程相等原理，反向追蹤邊界光線E(—)，獲得其在第一個齒
的全內反射面上對應點的坐標，最終獲得第一個齒的全內反射面上P-1個點的坐標； 步驟七、將步驟六獲得的第一個齒的全內反射面上P-l個點的坐標連接成非均勻
有理B樣條曲線AF; 最后，獲得第一個齒的折射面的直線段AH，執行步驟八 步驟八、追蹤步驟六獲得的第一個齒的全內反射面上P-l個點的邊界光線E(+)和 E(—)，根據反射定律、折射定律和光程相等原理，計算獲得第一個齒的折射面的上端邊界點 H，根據所述折射面與z軸之間的夾角和邊界點H、A，獲得所述折射面的邊界線AH，其中光線 E(+)與z軸成順時針夾角a2 ; 二次透鏡的上表面在直角坐標系中x軸負向區域的第二段曲線、以及第二個齒的 全內反射面和折射面的在直角坐標系中x軸負向區域的曲線段的獲得方法為
步驟九、根據步驟六獲得的第一個齒上的全內反射面上P-l個點的邊界光線E(+)， 根據反射定律、折射定律和光程相等原理，確定二次透鏡上的第一段曲線外的P-l個點的 坐標，其中光線E(+)與z軸成順時針夾角a2 ; 步驟十、將步驟九獲得的P-l個點的坐標，連接成非均勻有理B樣條曲線CG，所述 曲線CG即為二次透鏡的第二段曲線； 步驟十一、從R'點反向追蹤步驟十獲得的第二段曲線CG的邊界光線E(—)，確定第 二個齒的最低點A1，并且所述點A1在第一個齒的最高點F的邊界光線E(+)反射和折射光線 的上方； 步驟十二、將第二個齒視為第一個齒，重復執行步驟五至步驟八，獲得第二個齒的 全內反射面和折射面在直角坐標系中x軸負向區域的曲線； 二次透鏡的上表面在直角坐標系中x軸負向區域的第i段曲線、以及第i個齒 的全內反射面和折射面的在直角坐標系中x軸負向區域的曲線段的獲得方法為，其中 3《i《N : 步驟十三、根據第i-l個齒上的全內反射面上P-l個點的邊界光線E(+)，根據反射 定律、折射定律和光程相等原理，確定二次透鏡上的第i段曲線上的P-l個點的坐標；
步驟十四、將步驟十三獲得的P-l個點的坐標連接成非均勻有理B樣條曲線CG，所 述曲線CG即為二次透鏡的第i段曲線；
步驟十五、從R'點反向追蹤第i-1個齒確定的CG段的邊界光線E(+)和E(—)，確定 TIR區菲涅爾齒第i個齒的最低點A卜、并且所述點A卜1的位置在第i-1個齒的最高點F的 邊界光線E(+)反射和折射光線的上方； 步驟十六、將第i個齒視為第一個齒，重復執行步驟五至步驟八，獲得第i個齒的 全內反射面、折射面在直角坐標系中x軸負向區域的曲線；和二次透鏡的上表面在直角坐 標系中X軸負向區域的第i段曲線； 第N個齒的折射面的曲線的末端與z軸不相交，RR區表面在直角坐標系中x軸負 向區域的曲線獲得方法為 步驟十七、從點R'反向追蹤二次透鏡表面各點的折射光線，提取兩次折射后的邊 界曲線E(+)，根據光程相等原理計算獲得RR區在直角坐標系中x軸負向區域的曲線上各點 的坐標，然后將所述各點坐標連接成非均勻有理B樣條曲線，直至z軸；
如果二次透鏡的第N段曲線的末端與z軸相交，則二次透鏡的上表面的形狀確 定； 如果二次透鏡的第N段曲線的末端與z軸不相交，則根據所述第N段曲線上的點 進行樣條插值，將所述第N段曲線延伸至z軸。 本發明的光伏聚光器，可以達到1000倍左右聚光倍數，小于0.5的高寬比，大于 1°的集光角，并且能夠在集光角大于80%光學效率。本發明適用于應用聚光倍數較高光伏 聚光器的場合和領域。
圖1為本發明的聚光器的光束傳輸示意圖。圖2為主透鏡11的第一個齒的全內 反射面1122和折射面1121、與二次透鏡12的上表面的第一段曲線所在平面之間的光路圖。 圖3為本發明的聚光器主透鏡和二次透鏡的立體效果圖。圖4是圖3沿主透鏡上表面對角 線截開的截面圖示意圖。圖5為不同集光角的光線通過本發明的聚光器的光學效率的曲線 圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一 結合圖1和圖2說明本實施方式，基于非成像光學的光伏聚光 器，它由聚光器1和太陽能電池2組成，所述聚光器1由主透鏡11和二次透鏡12組成，主 透鏡11和二次透鏡12為軸對稱結構，主透鏡11的上表面111為平面，主透鏡11的下表面 分為兩部分，一部分為TIR區，另一部分為RR區113，所述RR區113在所述TIR區的中心， 所述TIR區共有N個TIR區菲涅爾齒112，每個TIR區菲涅爾齒112由折射面1121和全內 反射面1122組成，每個TIR區菲涅爾齒112的折射面1121與主透鏡11的對稱軸的夾角均 為Cp，主透鏡11和二次透鏡12的材料折射率都為n，所述二次透鏡12的軸截面的上表面由 N段曲線組成，二次透鏡12的下表面為平面，二次透鏡12設置在主透鏡11的正下方，并且 所述二次透鏡12與主透鏡11同軸，太陽能電池2的聚光面緊貼二次透鏡12的下表面，并 且所述二次透鏡12的對稱軸穿過太陽能電池2的聚光面的中心； 指定位于主透鏡11最外側的TIR區菲涅爾齒112為第一個齒，由外向內，依次為 第二個齒、第三個齒……第N個齒，TIR區菲涅爾齒112的形狀和二次透鏡12的上表面的形狀是由下述方法獲得的 二次透鏡12的上表面在直角坐標系中X軸負向區域的第一段曲線、以及第一個齒 的全內反射面1122和折射面1121在直角坐標系中x軸負向區域的曲線段的的形狀是由下 述方法獲得的 步驟一、根據公式<formula>formula see original document page 9</formula>計算聚光器1的幾何聚光率Cg，其中&為主透鏡11
的上表面111的面積，A。為太陽能電池2聚光面的面積； 步驟二、根據步驟一的公式確定幾何聚光率Cg和集光角ai ; 步驟三、以太陽能電池2的聚光面中心作為坐標原點，二次透鏡12的對稱軸為z
軸建立直角坐標系，則太陽能電池2的聚光面與所述直角坐標系相交的兩個邊界點的坐標
分別為R(r。，0)和R' (-r。，0);然后在所建立的直角坐標系中做如下操作； 首先，獲得二次透鏡12的第一段曲線BC，執行步驟四和步驟五 步驟四、在x軸負向的第一個齒的全內反射面1122上選取邊界點A，在x軸負向的
二次透鏡12的第一段曲線上選取邊界點B，根據點A、點B和點R'的坐標計算獲得一段二
次曲線，所述二次曲線為笛卡爾橢圓； 步驟五、根據由點A到點B邊界光線E(—)的反射光線和由步驟四確定的一段二次 曲線確定該段二次曲線的端點C，獲得二次透鏡12的第一段曲線BC，其中光線E(—)與z軸 成逆時針夾角a2 ; 其次，獲得第一個齒的全內反射面1122曲線AF，執行步驟六和步驟七
步驟六、采用P-l個點將步驟五獲得的第一段曲線BC平均分成P份，依次對于每 個點，根據反射定律、折射定律和光程相等原理，反向追蹤邊界光線E(—)，獲得其在第一個齒 的全內反射面1122上對應點的坐標，最終獲得第一個齒的全內反射面1122上P-l個點的 坐標； 步驟七、將步驟六獲得的第一個齒的全內反射面1122上P-1個點的坐標連接成非 均勻有理B樣條曲線AF ; 最后，獲得第一個齒的折射面1121的直線段AH，執行步驟八
步驟八、追蹤步驟六獲得的第一個齒的全內反射面1122上P-l個點的邊界光線 E(+)和E(—)，根據反射定律、折射定律和光程相等原理，計算獲得第一個齒的折射面1121的 上端邊界點H，根據所述折射面1121與z軸之間的夾角和邊界點H、A，獲得所述折射面1121 的邊界線AH，其中光線E(+)與z軸成順時針夾角a2 ; 二次透鏡12的上表面在直角坐標系中x軸負向區域的第二段曲線、以及第二個齒 的全內反射面1122和折射面1121的在直角坐標系中x軸負向區域的曲線段的獲得方法 為 步驟九、根據步驟六獲得的第一個齒上的全內反射面1122上P-1個點的邊界光線 E(+)，根據反射定律、折射定律和光程相等原理，確定二次透鏡12上的第一段曲線外的P-l 個點的坐標，其中光線E(+)與z軸成順時針夾角a2 ; 步驟十、將步驟九獲得的P-l個點的坐標，連接成非均勻有理B樣條曲線CG，所述 曲線CG即為二次透鏡12的第二段曲線； 步驟十一、從R'點反向追蹤步驟十獲得的第二段曲線CG的邊界光線E(—)，確定第 二個齒的最低點A1，并且所述點A1在第一個齒的最高點F的邊界光線E(+)反射和折射光線的上方； 步驟十二、將第二個齒視為第一個齒，重復執行步驟五至步驟八，獲得第二個齒的 全內反射面1122和折射面1121在直角坐標系中x軸負向區域的曲線；
二次透鏡12的上表面在直角坐標系中x軸負向區域的第i段曲線、以及第i個齒 的全內反射面1122和折射面1121的在直角坐標系中x軸負向區域的曲線段的獲得方法 為，其中3《i《N : 步驟十三、根據第i-l個齒上的全內反射面1122上P-l個點的邊界光線E(+)，根據 反射定律、折射定律和光程相等原理，確定二次透鏡12上的第i段曲線上的P-l個點的坐 標； 步驟十四、將步驟十三獲得的P-l個點的坐標連接成非均勻有理B樣條曲線CG，所 述曲線CG即為二次透鏡12的第i段曲線； 步驟十五、從R'點反向追蹤第i-l個齒確定的CG段的邊界光線E(+)和E(—)，確定 TIR區菲涅爾齒112第i個齒的最低點A卜、并且所述點Ai—1的位置在第i-l個齒的最高點 F的邊界光線E(+)反射和折射光線的上方； 步驟十六、將第i個齒視為第一個齒，重復執行步驟五至步驟八，獲得第i個齒的 全內反射面1122、折射面1121在直角坐標系中x軸負向區域的曲線；和二次透鏡12的上 表面在直角坐標系中x軸負向區域的第i段曲線； 第N個齒的折射面1121的曲線的末端與z軸不相交，RR區113表面在直角坐標 系中x軸負向區域的曲線獲得方法為 步驟十七、從點R'反向追蹤二次透鏡12表面各點的折射光線，提取兩次折射后的 邊界曲線E(+)，根據光程相等原理計算獲得RR區113在直角坐標系中x軸負向區域的曲線 上各點的坐標，然后將所述各點坐標連接成非均勻有理B樣條曲線，直至z軸；
如果二次透鏡12的第N段曲線的末端與z軸相交，則二次透鏡12的上表面的形 狀確定； 如果二次透鏡12的第N段曲線的末端與z軸不相交，則根據所述第N段曲線上的 點進行樣條插值，將所述第N段曲線延伸至z軸。 如果達到最大限度的聚光，則太陽能電池2接收到的入射光線的角度應為 ±90° 。 在實際應用過程中可以根據實際需要和條件限制，將聚光器的主透鏡切割成需要 的形狀，例如正方形。
具體實施方式
二 本實施方式是對具體實施方式
一中步驟一的進一步說明步驟 一中所述的Cg = A乂A。是根據下述方法獲得的主透鏡11的上表面111接收光束Mi，入射 光線的集光角為&，太陽能電池2表面接收到的光束M。，上表面111接收光束Mi的邊界光線 dMi是以接收面每點處與該點法線成ai角的光線，接收光束Mi經過上表面111折射后的光 束為Mint， a2為光束Mint與z軸的最大夾角，a2稱為主透鏡11的內集光角，其計算公式為
sin(a》=n sin(a2) 上式中的n為聚光器l的主透鏡11和二次透鏡12的材料折射率，太陽能電池2聚 光器表面接收到的光束M。的邊界光線dM。為主透鏡11表面接收光束Mi的邊界光線dMi的 光線經過主透鏡11和二次透鏡12后投射到接收面的光線，主透鏡11上表面的半徑為i>
10面積為Ai，太陽能電池2的半徑為r。，面積為A。，則聚光器1的幾何聚光率為Cg :
Cg = A氛。 步驟二中幾何聚光率Cg和集光角ai的具體獲得方法；根據Etendue的定義，計算 三維空間Mi和M。光束的Etendue值 = JJcos^/QW= JJcos夕2;r sin夕d(9 cL4
cos6> sin<9 d<9
=2丌4 silica,)
￡他=JJ"2 cos6WQW= JJ"2cos0 2;r sin夕d夕cL4 = A 2;r ^ 1 cos6> sin<9 = 2;r "2 j0 其中Q為體積角Q = 2 Ji sin 9 ，貝U [o酬￡^^^Cg=^^^^ 確定滿足上述公式的幾何聚光率Cg和集光角ai。 因此，聚光器1各表面的獲取問題轉化為Mint光束傳輸到M。的問題。根據邊界光 線原理，聚光器1的獲取問題又轉化為dMint光束傳輸到dM。的問題，其中dMint光束為與z 向夾角為aint的光線，aint為光束Mint射出TIR區菲涅爾齒112時與z軸的最大夾角。
具體實施方式
三本實施方式是對具體實施方式
一中步驟四的進一步說明步驟 四中點A的坐標為(xA， zA)，點B的坐標為(xB， zB)，根據點A、點B和點R'的坐標計算出二 次透鏡12的表面邊界的一段二次曲線，所述二次曲線為笛卡爾橢圓，曲線方程為
<formula>formula see original document page 11</formula> <formula>formula see original document page 11</formula> <formula>formula see original document page 11</formula>
<formula>formula see original document page 11</formula>具體實施方式
四本實施方式是對具體實施方式
一中步驟五的進一步說明點C的 獲得方法為根據邊界光線E(—)光路計算出全內反射面1122在點A處的法線，再計算出邊 界光線E(+)在點A處的反射光線，所述反射光線與公式二所描述的曲線的交點為笛卡爾橢 圓的端點C。
具體實施方式
五本實施方式是對具體實施方式
一中步驟六的進一步說明依次對 于每個點，根據反射定律、折射定律和光程相等原理，反向追蹤邊界光線E(—)，獲得其在第一 個齒的全內反射面1122上對應點的坐標的方法為選取點N"計算點K處笛卡爾橢圓的法 線，反向追蹤點R'到點K的光線iv—N1，經過點&折射后的光線為rN1—D，rN1—D投射到第一個 齒的折射面1121的點為點D，由點D折射光線的邊界光線E(—)確定點D在第一個齒的全內反射面1122上的對應點E所在直線，根據點D的邊界光線E(—)與點A的邊界光線E(—)光程 相等原理，確定點E的坐標。 逐一對第一段曲線BC上的P-l個點作如上處理，最終計算笛卡爾橢圓軌跡上P-l 個點對應的全內反射面1122上P-l個點的坐標。
具體實施方式
六本實施方式是對具體實施方式
一中步驟九的進一步說明根據第 一個齒上的全內反射面1122上P-l個點的邊界光線E(+)，根據反射定律、折射定律和光程 相等原理，確定二次透鏡12上的第一段曲線外的P-l個點的坐標的方法為追蹤全內反射 面1122上AF段上P-l個點的邊界光線E(+)和E(—)，根據每一點的邊界光線E(+)和E(—)分別 與點A的邊界光線E(+)和E(—)光程相等原理，計算出TIR區菲涅爾齒112第一個齒折射面 1121的上端邊界點H和二次透鏡12上表面的笛卡爾橢圓外的第二段曲線CG段P-1個點的 坐標；具體實施方式
七結合圖3、圖4和圖5說明本實施方式，圖4為圖3沿主透鏡上 表面對角線截開的截面圖。本發明的光伏聚光器在集光角為1.5° ，折射面1121與z軸夾 角為(()=1° ，材料折射率n二 1.5時，能夠達到1000倍的聚光倍數，太陽能電池2的接收光 線范圍為-88°至88° ，聚光器1的寬高比為0.39，利用此光伏聚光器在不同集光角度下的 光學效率參見圖5，集光角小于1°時，光學效率大于90%，集光角小于1.5°時，光學效率 大于81%。
權利要求
基于非成像光學的光伏聚光器，其特征在于它由聚光器(1)和太陽能電池(2)組成，所述聚光器(1)由主透鏡(11)和二次透鏡(12)組成，主透鏡(11)和二次透鏡(12)為軸對稱結構，主透鏡(11)的上表面(111)為平面，主透鏡(11)的下表面分為兩部分，一部分為TIR區，另一部分為RR區(113)，所述RR區(113)在所述TIR區的中心，所述TIR區共有N個TIR區菲涅爾齒(112)，每個TIR區菲涅爾齒(112)由折射面(1121)和全內反射面(1122)組成，每個TIR區菲涅爾齒(112)的折射面(1121)與主透鏡(11)的對稱軸的夾角均為()，主透鏡(11)和二次透鏡(12)的材料折射率都為n，所述二次透鏡(12)的軸截面的上表面由N段曲線組成，二次透鏡(12)的下表面為平面，二次透鏡(12)設置在主透鏡(11)的正下方，并且所述二次透鏡(12)與主透鏡(11)同軸，太陽能電池(2)的聚光面緊貼二次透鏡(12)的下表面，并且所述二次透鏡(12)的對稱軸穿過太陽能電池(2)的聚光面的中心；指定位于主透鏡(11)最外側的TIR區菲涅爾齒(112)為第一個齒，由外向內，依次為第二個齒、第三個齒……第N個齒，TIR區菲涅爾齒(112)的形狀和二次透鏡(12)的上表面的形狀是由下述方法獲得的二次透鏡(12)的上表面在直角坐標系中x軸負向區域的第一段曲線、以及第一個齒的全內反射面(1122)和折射面(1121)在直角坐標系中x軸負向區域的曲線段的的形狀是由下述方法獲得的步驟一、根據公式Cg＝Ai/Ao計算聚光器(1)的幾何聚光率Cg，其中Ai為主透鏡(11)的上表面(111)的面積，Ao為太陽能電池(2)聚光面的面積；步驟二、根據步驟一的公式確定幾何聚光率Cg和集光角a1；步驟三、以太陽能電池(2)的聚光面中心作為坐標原點，二次透鏡(12)的對稱軸為z軸建立直角坐標系，則太陽能電池(2)的聚光面與所述直角坐標系相交的兩個邊界點的坐標分別為R(r0，0)和R’(-r0，0)；然后在所建立的直角坐標系中做如下操作；首先，獲得二次透鏡(12)的第一段曲線BC，執行步驟四和步驟五步驟四、在x軸負向的第一個齒的全內反射面(1122)上選取邊界點A，在x軸負向的二次透鏡(12)的第一段曲線上選取邊界點B，根據點A、點B和點R’的坐標計算獲得一段二次曲線，所述二次曲線為笛卡爾橢圓；步驟五、根據由點A到點B邊界光線E(-)的反射光線和由步驟四確定的一段二次曲線確定該段二次曲線的端點C，獲得二次透鏡(12)的第一段曲線BC，其中光線E(-)與z軸成逆時針夾角a2；其次，獲得第一個齒的全內反射面(1122)曲線AF，執行步驟六和步驟七步驟六、采用P-1個點將步驟五獲得的第一段曲線BC平均分成P份，依次對于每個點，根據反射定律、折射定律和光程相等原理，反向追蹤邊界光線E(-)，獲得其在第一個齒的全內反射面(1122)上對應點的坐標，最終獲得第一個齒的全內反射面(1122)上P-1個點的坐標；步驟七、將步驟六獲得的第一個齒的全內反射面(1122)上P-1個點的坐標連接成非均勻有理B樣條曲線AF；最后，獲得第一個齒的折射面(1121)的直線段AH，執行步驟八步驟八、追蹤步驟六獲得的第一個齒的全內反射面(1122)上P-1個點的邊界光線E(+)和E(-)，根據反射定律、折射定律和光程相等原理，計算獲得第一個齒的折射面(1121)的上端邊界點H，根據所述折射面(1121)與z軸之間的夾角和邊界點H、A，獲得所述折射面(1121)的邊界線AH，其中光線E(+)與z軸成順時針夾角a2；二次透鏡12的上表面在直角坐標系中x軸負向區域的第二段曲線、以及第二個齒的全內反射面(1122)和折射面(1121)的在直角坐標系中x軸負向區域的曲線段的獲得方法為步驟九、根據步驟六獲得的第一個齒上的全內反射面(1122)上P-1個點的邊界光線E(+)，根據反射定律、折射定律和光程相等原理，確定二次透鏡(12)上的第一段曲線外的P-1個點的坐標，其中光線E(+)與z軸成順時針夾角a2；步驟十、將步驟九獲得的P-1個點的坐標，連接成非均勻有理B樣條曲線CG，所述曲線CG即為二次透鏡(12)的第二段曲線；步驟十一、從R’點反向追蹤步驟十獲得的第二段曲線CG的邊界光線E(-)，確定第二個齒的最低點A1，并且所述點A1在第一個齒的最高點F的邊界光線E(+)反射和折射光線的上方；步驟十二、將第二個齒視為第一個齒，重復執行步驟五至步驟八，獲得第二個齒的全內反射面(1122)和折射面(1121)在直角坐標系中x軸負向區域的曲線；二次透鏡(12)的上表面在直角坐標系中x軸負向區域的第i段曲線、以及第i個齒的全內反射面(1122)和折射面(1121)的在直角坐標系中x軸負向區域的曲線段的獲得方法為，其中3≤i≤N步驟十三、根據第i-1個齒上的全內反射面(1122)上P-1個點的邊界光線E(+)，根據反射定律、折射定律和光程相等原理，確定二次透鏡(12)上的第i段曲線上的P-1個點的坐標；步驟十四、將步驟十三獲得的P-1個點的坐標連接成非均勻有理B樣條曲線CG，所述曲線CG即為二次透鏡(12)的第i段曲線；步驟十五、從R’點反向追蹤第i-1個齒確定的CG段的邊界光線E(+)和E(-)，確定TIR區菲涅爾齒(112)第i個齒的最低點Ai-1，并且所述點Ai-1的位置在第i-1個齒的最高點F的邊界光線E(+)反射和折射光線的上方；步驟十六、將第i個齒視為第一個齒，重復執行步驟五至步驟八，獲得第i個齒的全內反射面(1122)、折射面(1121)在直角坐標系中x軸負向區域的曲線；和二次透鏡(12)的上表面在直角坐標系中x軸負向區域的第i段曲線；第N個齒的折射面(1121)的曲線的末端與z軸不相交，RR區(113)表面在直角坐標系中x軸負向區域的曲線獲得方法為步驟十七、從點R’反向追蹤二次透鏡(12)表面各點的折射光線，提取兩次折射后的邊界曲線E(+)，根據光程相等原理計算獲得RR區(113)在直角坐標系中x軸負向區域的曲線上各點的坐標，然后將所述各點坐標連接成非均勻有理B樣條曲線，直至z軸；如果二次透鏡(12)的第N段曲線的末端與z軸相交，則二次透鏡(12)的上表面的形狀確定；如果二次透鏡(12)的第N段曲線的末端與z軸不相交，則根據所述第N段曲線上的點進行樣條插值，將所述第N段曲線延伸至z軸。F2009100733340C00011.tif
2. 根據權利要求l所述的基于非成像光學的光伏聚光器，其特征在于聚光器(1)的幾 何聚光率Cg二Ai/A。是根據下述方法獲得的主透鏡(11)的上表面(111)接收光束Mi，入 射光線的集光角為A，太陽能電池(2)表面接收到的光束M。，上表面(111)接收光束Mi的 邊界光線dMi是以接收面每點處與該點法線成ai角的光線，接收光束Mi經過上表面(111) 折射后的光束為Mint，^為光束Mint與z軸的最大夾角，^稱為主透鏡(11)的內集光角，其 計算公式為sin(a》=n sin(a2)上式中的n為聚光器(1)的主透鏡(11)和二次透鏡(12)的材料折射率，太陽能電池 (2)聚光器表面接收到的光束M。的邊界光線dM。為主透鏡(11)表面接收光束Mi的邊界光 線dMi的光線經過主透鏡(11)和二次透鏡(12)后投射到接收面的光線，主透鏡(11)上表 面的半徑為ri，面積為Ai，太陽能電池(2)的半徑為r。，面積為A。，則聚光器(1)的幾何聚光 率為Cg:<formula>formula see original document page 4</formula>
3. 根據權利要求l所述的基于非成像光學的光伏聚光器，其特征在于聚光器(1)的幾 何聚光率Cg和集光角ai的具體獲得方法；根據Etendue的定義，計算三維空間Mt和M。光 束的Etendue值<formula>formula see original document page 4</formula>其中Q為體積角Q = 2 Ji sin 9 ，則 <formula>formula see original document page 4</formula>確定滿足上述公式的幾何聚光率cg和集光角ai。
4. 根據權利要求1所述的基于非成像光學的光伏聚光器，其特征在于獲得二次透鏡 (12)的第一段曲線形狀具體為在x軸負向的TIR區菲涅爾齒(112)上選取邊界點A，所述 點A為TIR區菲涅爾齒(112)第一個齒的最低點，點A的坐標為(xA， z》，在x軸負向的二 次透鏡(12)上選取邊界點B，所述點B的坐標為(xB， zB) ， TIR區菲涅爾齒(112)的個數為 N，根據點A、點B和點R'的坐標計算出二次透鏡(12)的表面邊界的一段二次曲線，所述二 次曲線為笛卡爾橢圓，曲線方程為公式二<formula>formula see original document page 4</formula><formula>formula see original document page 5</formula>根據邊界光線E(—)光路計算出全內反射面(1122)在點A處的法線，再計算出邊界光線 E(+)在點A處的反射光線，所述反射光線與公式二所描述的曲線的交點為笛卡爾橢圓的端 點C，即二次透鏡(12)的第一段曲線形狀的端點。
5. 根據權利要求1所述的基于非成像光學的光伏聚光器，其特征在于獲得第一個齒的 全內反射面(1122)上任意一點E的坐標為在二次透鏡(12)的第一段曲線BC上的P-1個 點中，依次對于每個點，根據反射定律、折射定律和光程相等原理，反向追蹤邊界光線E(—)， 獲得其在第一個齒的全內反射面(1122)上對應點的坐標的方法為選取點N"計算點K處 笛卡爾橢圓的法線，反向追蹤點R'到點K的光線rK，—N1，經過點&折射后的光線為rN1—D，rN1—D 投射到第一個齒的折射面(1121)的點為點D，由點D折射光線的邊界光線E(—)確定點D在 第一個齒的全內反射面(1122)上的對應點E所在直線，根據點D的邊界光線E(—)與點A的 邊界光線E(—)光程相等原理，確定點E的坐標。
6. 根據權利要求l所述的基于非成像光學的光伏聚光器，其特征在于二次透鏡(12)第 二段曲線CG段P-1個點的坐標具體為根據第一個齒上的全內反射面(1122)上P-l個點 的邊界光線E(+)，根據反射定律、折射定律和光程相等原理，確定二次透鏡(12)上的第一段 曲線外的P-1個點的坐標的方法為追蹤全內反射面(1122)上AF段上P-l個點的邊界光 線E(+)和E(—)，根據每一點的邊界光線E(+)和E(—)分別與點A的邊界光線E(+)和E(—)光程相 等原理，計算出TIR區菲涅爾齒(112)第一個齒折射面(1121)的上端邊界點H和二次透鏡 (12)上表面的笛卡爾橢圓外的第二段曲線CG段P-1個點的坐標。
全文摘要
基于非成像光學的光伏聚光器，它涉及一種光伏聚光器，解決了現有技術的聚光倍數較低聚光器的存在的成本高、聚光倍數低的問題，聚光倍數較高的聚光器集光角窄、高寬比太大的問題，光伏聚光器由聚光器和太陽能電池組成，所述聚光器由主透鏡和二次透鏡組成，主透鏡的上表面為平面，主透鏡的下表面分為兩部分，一部分為TIR區菲涅爾齒，另一部分為RR區，TIR區菲涅爾齒的一側為折射面，另一側為全內反射面，折射面與z軸夾角為φ，主透鏡和二次透鏡的材料折射率都為n，本發明獲得的聚光器，可以達到1000倍左右聚光倍數，小于0.5的高寬比，大于1°的集光角，大于80％光學效率。本發明適用于應用聚光倍數較高光伏聚光器的場合和領域。
文檔編號G02B3/00GK101719524SQ20091007333
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月2日 優先權日2009年12月2日
發明者趙清亮, 陳俊云 申請人:哈爾濱工業大學