太陽能聚光元件的設(shè)計與分析

太陽能聚光元件的設(shè)計與分析

0太陽能聚光鏡的設(shè)計面對化石燃料的逐漸消耗和人類生態(tài)環(huán)境的惡化，人類必須走可持續(xù)發(fā)展的道路，減少污染，逐步改變能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。因此，我們必須大力推廣以能為代表的太陽能發(fā)電，并在世界范圍內(nèi)達(dá)成共識。地球表面的太陽輻射能的總量盡管很大,但能流密度卻很低.因此,想要達(dá)到一定的輻射功率,可以采取兩種可行方法:一是增大采光面積,二是提高聚光倍數(shù).鑒于前者將占用較大的面積,因此采用聚光方式的太陽能利用逐漸成為一種重要的途徑.縱觀太陽能利用的發(fā)展歷程,代表性的器件主要有球面拋物面反射鏡,拱形線聚焦透鏡,復(fù)合拋物面聚光器,菲涅爾聚焦鏡等,普遍存在的問題是聚光比較小,接收角小,需要跟蹤裝置,元件笨重,不易生產(chǎn)和維護(hù),性價比低等.針對以上問題,本文采用非成像光學(xué)進(jìn)行太陽能聚光鏡的設(shè)計,特點(diǎn)是聚光比較高,可相對減小裝置成本,并且元件易于集成封裝.基本思想是首先對非成像聚光鏡設(shè)計原理進(jìn)行剖析,其次運(yùn)用邊緣光線原理及SMS(SimultaneousMultipleSurface,SMS)方法進(jìn)行聚光鏡的設(shè)計,所用鏡面表示符號為:折射(Refraction,R),反射(Reflection,X),設(shè)計的聚光鏡類型為折射型(RR)和折反射型(RX)兩種,優(yōu)點(diǎn)是元件在接收半角內(nèi)可以同時實現(xiàn)靜態(tài)接收和聚光兩種作用,并且可以根據(jù)應(yīng)用場合的不同而選取不同類型的聚光鏡.1非圖像原理1.1光學(xué)擴(kuò)展不變量非成像光學(xué)的邊緣原理與傳統(tǒng)成像光學(xué)不同,非成像光學(xué)沒有致力于如何消像差和提高傳遞函數(shù),而是將自由度應(yīng)用到了如何保證能量總體傳遞效率和控制像面能量均勻度方面.因此非成像系統(tǒng)的像差一般很大.非成像系統(tǒng)與成像系統(tǒng)相比,最大的區(qū)別是可以在保證總體傳遞率的前提下實現(xiàn)較大的入射角和出射角.光學(xué)擴(kuò)展不變量(étendue)是非成像光學(xué)中一個常用的概念,記為E.任何光學(xué)系統(tǒng)都具有自身的光學(xué)擴(kuò)展不變量,在系統(tǒng)中是一個與口徑和角度有關(guān)的量.文中定義Mi為入射光束,Mo為出射光束,E(Mi)和E(Mo)分別表示入射光束和出射光束的擴(kuò)展不變量,理想情況時有:Mi=Mo,E(Mi)=E(Mo),從而達(dá)到光束的完全耦合,光束耦合即所有入射光線最終均成為出射光線,為增加設(shè)計自由度,可簡化為所有的入射邊緣光線經(jīng)過系統(tǒng)后均成為所有的出射邊緣光線,即非成像光學(xué)中常用的邊緣光線原理,邊緣光線原理敘述為:對于一個光學(xué)系統(tǒng),通過入射口徑邊緣的光線也是通過出射口徑邊緣的光線.即保證了入射光線即全部出射光線,能量傳遞率理論上可達(dá)到100%.1.2聚光鏡結(jié)構(gòu)特點(diǎn)聚光比是評價聚光鏡的最重要的一個參量,通常所說的是幾何聚光比.文中聚光鏡所涉及的參量含義如下:a,a1分別表示聚光系統(tǒng)第一個表面的入射半徑和電池的接收半徑,α,α1分別表示入射半角和電池接收半角,n1表示聚光鏡所用材料的折射率,h表示非成像聚光鏡沿光軸方向的總體厚度.當(dāng)聚光鏡接收半角為α,出射半角為α1時,為保證入射與出射方光學(xué)擴(kuò)展不變量相等有2a·2sinα=2a1·2sinα1(1)當(dāng)接收電池浸沒在折射率為n1的材料中時(如XRRX型聚光鏡),上式出射方相應(yīng)乘以n1.二維情況下幾何聚光比為系統(tǒng)第一個表面入射口徑與電池口徑的比值,三維情況下為二者比值的平方,文中軟件模擬均為三維情況,即C3D=(a/a1)2=(sinα1/sinα)2(2)C3D=(a/a1)2=(sinα1/sinα)2(2)C3D=(a/a1)2=(n1?sinα1/sinα)2(3)C3D=(a/a1)2=(n1?sinα1/sinα)2(3)當(dāng)出射半角即電池接收面接收角α1達(dá)到90°時,理論上聚光比達(dá)到極值.一般情況下,光伏電池的接收角度無法達(dá)到極值90°,大角度接收將會造成電池光電轉(zhuǎn)換效率急劇下降,因此通常接收半角α1為70°左右.縱橫比定義為聚光鏡厚度與口徑的比值(h/2a),用來表征聚光鏡的總體結(jié)構(gòu),一般縱橫比在0.3～0.4之間為佳,鏡片厚度適中,如果縱橫比較小,則鏡片相對輕薄,不易制作和維護(hù),如果縱橫比較大,則鏡片相對厚重,耗費(fèi)材料和增加材料吸收損失.2基于光學(xué)擴(kuò)展不變量的合成聚光鏡建模之前首先需要確定初始參量,包括:材料折射率,入射角度及口徑大小,鏡面與接收電池的距離,透鏡邊緣厚度等.以下設(shè)計過程中用S1S2表示光源的截面邊緣兩點(diǎn),R1R2表示光伏電池的截面邊緣位置,兩條曲線所圍圖形表示非成像聚光鏡的截面圖.RX型聚光鏡的光伏電池浸沒在鏡片中,并且電池的有效光電轉(zhuǎn)換吸收面背朝光源方向.入射與出射光束的光學(xué)擴(kuò)展不變量匹配是設(shè)計的前提條件.理論上保證了透過率為100%.設(shè)計時光源位置可根據(jù)情況看作有限遠(yuǎn)或無限遠(yuǎn).設(shè)計過程為:1)根據(jù)初始條件確定透鏡上下表面的邊緣部分,均為一段卵形線,目的是將子午面光源的兩個邊緣點(diǎn)理想成像于光伏電池的兩個邊緣點(diǎn).2)根據(jù)已知的上表面的一段弧,利用光源S2經(jīng)透鏡成像均至R1點(diǎn),光程相等及反向運(yùn)用折射定律得出的法線值,進(jìn)而求出下表面新的一點(diǎn)P,同理對于下表面,S1和R2互為對應(yīng)點(diǎn),光程相等,法線可求,得到上表面新一點(diǎn)Q.3)重復(fù)2所述步驟,直至追跡出的上下表面其一到達(dá)縱軸.計算法線方向是否與縱軸平行,若不平行,改變初始值,重復(fù)計算.4)負(fù)半軸的相應(yīng)點(diǎn)由對稱得到.根據(jù)追跡出的上下表面的點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合.得到二維情況下的聚光鏡面型.設(shè)計完成.以上為RR型聚光鏡的設(shè)計過程,對于RX型聚光鏡,我們采用由鏡面中心向邊緣的設(shè)計方法,設(shè)計原理及過程相同.RR、RX設(shè)計原理圖示如圖1.3接收角度分布本文所述的根據(jù)非成像原理設(shè)計的聚光鏡由MATLAB軟件進(jìn)行建模,追跡出上下表面的橫截面面型,利用最小二乘法擬合為高次非球面,得到表面曲線方程后使用ZEMAX軟件進(jìn)行仿真模擬,模擬過程中系統(tǒng)根據(jù)實際參量進(jìn)行初始設(shè)定,例如色散損失及吸收損失等,并且折射表面鍍以AR增透膜,電池接收角度控制在70°左右.模擬時聚光鏡所用材料為PMMA,折射率為1.491756,電池半徑均為1mm.在室溫及標(biāo)準(zhǔn)氣壓下進(jìn)行模擬.透過率的計算由軟件分析得出,考慮了漸暈損失,色散損失,菲涅爾損失,鍍膜損失,材料吸收損失等,電池光電轉(zhuǎn)換效率假設(shè)為理想情況100%.軟件模擬中的像面位置即表示理想光伏電池與非成像聚光鏡的相對位置.觀察分析不同接收角度時像面的照度分布情況,可知光伏電池在相應(yīng)入射角度時的光照及能量分布情況.RR型聚光鏡入射半角為1°時軟件模擬截圖如圖2,其中圖2(a)為總體截面圖及非成像聚光鏡放大圖,圖2(b)為不同視場的點(diǎn)列圖分布情況,圖2(c)為電池有效半徑內(nèi)能量分布情況.RR型聚光鏡入射半角為3°時軟件模擬截圖如圖3,其中圖3(a)為總體截面圖及非成像聚光鏡放大圖,圖3(b)為不同視場的點(diǎn)列圖分布情況,3(c)為電池有效半徑內(nèi)能量分布情況.RX型聚光鏡入射半角為1°時軟件模擬如圖4,其中圖4(a)為總體截面圖,圖4(b)為不同視場的點(diǎn)列圖分布情況,圖4(c)為電池有效半徑內(nèi)能量分布.RX型聚光鏡入射半角為3°時軟件模擬如圖5,其中圖5(a)為總體截面圖,圖5(b)為不同視場的點(diǎn)列圖分布情況,圖5(c)為電池有效半徑內(nèi)能量分布.通過以上聚光鏡的模擬參量可以看出,兩種聚光鏡既有相同點(diǎn)也有不同點(diǎn).相同點(diǎn)是二者在接收半角內(nèi)的不同視場像面能量分布比較均勻,點(diǎn)列圖相差不大,可以滿足在全視場內(nèi)無需跟蹤裝置進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換.不同點(diǎn)是在相同入射角度下,RX型聚光鏡由于光伏電池浸沒在材料中,因此在相同入射角的情況下相比RR型具有更高的聚光比,RR型縱橫比較大,比值在0.7～0.9范圍內(nèi).RX型縱橫比較小,比值在0.3～0.4之間.RR型透過率較高,并且在角度增大時透過率減小較為緩慢.RX型聚光鏡由于電池有效面是背朝光源方向并且電池接收半徑保持不變,入射角增大時電池遮光影響比重加大,隨入射角增大透過率減小速度加快.根據(jù)模擬數(shù)據(jù)分析得出如下結(jié)論:RX型聚光鏡相比于RR型聚光鏡在相同接收角度下聚光比更大,并且易注塑成單個整體元件,封裝簡化,縱橫比相對較小,結(jié)構(gòu)緊湊,節(jié)省材料,易于集成和清理維護(hù),總體綜合性能優(yōu)于RR型聚光鏡.但RX型聚光鏡當(dāng)接收角度大于7°時,元件透過率受電池遮光影響較大,光電轉(zhuǎn)換效率降低,因此RR型更適合作為大角度接收的聚光元件,具體應(yīng)用選擇時應(yīng)綜合考慮材料成本,聚光倍數(shù),接收角度等影響因素.4模擬結(jié)果分析本文利用非成像光學(xué)相關(guān)理論設(shè)計了非成像大角度太陽能聚光鏡,給出了折射型和折反射型聚光鏡的設(shè)計過程及模