一種用于CPV的錐形聚光器的制作方法

本實(shí)用新型涉及一種用于CPV的錐形聚光器。

背景技術(shù)：

CPV(聚光光伏)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)是一種新型太陽(yáng)能系統(tǒng)，與普通太陽(yáng)能板的區(qū)別是它通過(guò)一個(gè)聚光鏡來(lái)聚焦太陽(yáng)能，把光投射到一個(gè)非常小但是高轉(zhuǎn)化率的半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換材料上。目前CPV聚光鏡分為兩種：圓形透鏡和正方形透鏡，以往CPV太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)每個(gè)光學(xué)單元下都會(huì)和一個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換部件連接，進(jìn)行發(fā)電。

最近光伏界為提高光電轉(zhuǎn)換能效，加強(qiáng)了氮化鎵三元合金用于太陽(yáng)能電池應(yīng)用的關(guān)注。氮化銦鎵(InGaN)達(dá)到3.42eV和0.7eV之間的所有的間隙值，并且可以幾乎覆蓋所有的太陽(yáng)光譜。其它III-V族半導(dǎo)體，通常使用僅覆蓋三分之一由氮化銦鎵取得的頻譜。這個(gè)驚人的屬性使我們能夠吸收綠色光，紫外線和紅外線。這種疊層太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了86.8％的理論轉(zhuǎn)換效率，是向光電轉(zhuǎn)換極限邁出的一大步。但是，當(dāng)涉及到能源的生產(chǎn)，別忘了考慮的一個(gè)關(guān)鍵的，以科學(xué)無(wú)關(guān)的因素，即制造成本。

目前，太陽(yáng)能很難低于3/W的發(fā)電成本，這是常規(guī)來(lái)源的兩倍，如石油或核的成本。其結(jié)果是，盡管是一個(gè)安全、環(huán)保的技術(shù)，但是太陽(yáng)能電池還沒(méi)有能夠立足于他們本應(yīng)該在能源市場(chǎng)上的位置。光伏界已經(jīng)意識(shí)到這一點(diǎn)，并已經(jīng)確定，結(jié)合高性能和低成本的新的研究框架，這就是通常被稱為第三代太陽(yáng)能電池。

在這方面，我們希望使用氮化物的知識(shí)，探討氮化銦鎵太陽(yáng)能板的可能性。目前市場(chǎng)上能效轉(zhuǎn)換最高的是Soitec生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池，能效轉(zhuǎn)換高達(dá)46％。但是這種電池造價(jià)太高，不能作為民用或普通商用，只能給NASA這樣的客戶作為太空衛(wèi)星或者飛船供電使用。Sharp也制造出了能效44.4％的三層疊加太陽(yáng)能板。西班牙的IES和UPM制造出了能效為32.6％的太陽(yáng)能板。這些高能效太陽(yáng)能板都是利用三五組半導(dǎo)體材料制造，他們都具有高能效轉(zhuǎn)化但是造價(jià)高的特點(diǎn)。

相對(duì)于III-V族半導(dǎo)體材料制成的高能效太陽(yáng)能電池，硅基太陽(yáng)能電池造價(jià)低，但是能效轉(zhuǎn)換率也非常低。所以，綜合以上優(yōu)缺點(diǎn)，我們希望通過(guò)利用III-V族半導(dǎo)體材料的優(yōu)點(diǎn)，利用光纖把多個(gè)聚光單元的光束打在一塊光電轉(zhuǎn)換材料板上，之前需要每個(gè)聚光單元對(duì)應(yīng)一個(gè)光電轉(zhuǎn)換材料，現(xiàn)在由于加入了光纖，可是實(shí)現(xiàn)多個(gè)聚光單元對(duì)應(yīng)一個(gè)光電轉(zhuǎn)換材料，大大降低了造價(jià)，降低了每瓦電的生產(chǎn)價(jià)格。

圖1是兩級(jí)聚光器的基本原理圖，如圖1中所示，通過(guò)第一聚光器01，第二聚光器02和一根光纖03，整個(gè)設(shè)置用來(lái)把太陽(yáng)光匯聚至太陽(yáng)能電池，第一聚光器01是菲涅耳透鏡，主要是為了得到很高的匯聚度的光線，其次通過(guò)第二聚光器02有兩個(gè)作用：

第一個(gè)作用是匯聚通過(guò)菲涅耳透鏡后的光線進(jìn)入光纖。如果在光纖前使用耦合器會(huì)可以大大減弱光束進(jìn)入具有較大角位移和其它安裝尺寸偏差的光纖的耦合效率；

第二個(gè)作用是二次聚光，因?yàn)閷?duì)透鏡來(lái)說(shuō)直接得到一個(gè)直徑小于光纖的焦點(diǎn)是很難的。事實(shí)上，因?yàn)樘?yáng)光有非常廣泛的光譜，焦點(diǎn)分布在幾厘米之內(nèi)，焦點(diǎn)直徑可能過(guò)大而不能直接耦合到光纖中，否則容易造成如圖1所示的損失。

在以前的報(bào)告中，第二聚光器用一個(gè)復(fù)合拋物型聚光器(CPC)。這種類型的集中器設(shè)計(jì)用來(lái)將所有的入射光以理想的匯聚度在限定的接受角度內(nèi)集中至輸出面。然而，在本報(bào)告中已證明輸出光線具有高達(dá)90度的角度，因此，CPC不能有效地用于將光線耦合到光纖。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型旨在用塊狀玻璃(如，二氧化硅)制成一個(gè)錐體作為第二聚光器。

為了解決上述問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種用于CPV的錐形聚光器，將經(jīng)菲涅耳透鏡所有入射光線匯聚后全部輸入至光纖，其中，所述錐形聚光器的參數(shù)具有以下特征：

其中，α為錐形聚光器的輸出端水平傾斜角，θ′_f為錐形聚光器的輸出光線接收角，θ′_i為錐形聚光器的輸入光線角；

其中，L為錐形聚光器的長(zhǎng)度，2a為錐形聚光器的輸出端及光纖芯的直徑；

其中，2A為錐形聚光器的輸入端的直徑。

根據(jù)上述一種用于CPV的錐形聚光器，其中，錐形聚光器的輸出端具有位置最大值，即z＜z_max+L，及所述錐形聚光器的輸入端具有位置最小值，即z＞z_min；

其中，

其中，z為z軸上距菲涅耳透鏡的距離，z_max為z軸上錐形聚光器的輸出端距菲涅耳透鏡的最大距離，L為錐形聚光器的長(zhǎng)度，f為菲涅耳透鏡的焦距，d_max為z軸上錐形聚光器的輸出端距菲涅耳透鏡焦點(diǎn)的最大距離，d為菲涅耳透鏡的直徑，z軸為菲涅耳透鏡的光軸；

其中，

其中，z_min為z軸上錐形聚光器的輸出端距菲涅耳透鏡的最小距離。

根據(jù)上述一種用于CPV的錐形聚光器，其中，錐形聚光器的長(zhǎng)度L具有一個(gè)額外長(zhǎng)度L′。

根據(jù)上述一種用于CPV的錐形聚光器，其中，錐形聚光器的輸出端位于菲涅耳透鏡的焦點(diǎn)處，即位于z＝f的位置時(shí)，

根據(jù)上述一種用于CPV的錐形聚光器，其中，投射至所述錐形聚光器的輸出端的入射光束的直徑最小。

根據(jù)上述一種用于CPV的錐形聚光器，其中，當(dāng)菲涅耳透鏡的參數(shù)取以下值時(shí)：

d＝100mm，f＝100mm，θ_i＝26.565°，其中，θ_i為菲涅耳透鏡邊緣出射光線出射角；及

當(dāng)光纖的參數(shù)取以下值時(shí)：

a＝0.50000mm，NA＝0.48000mm，n_core＝1.4600，n_clad＝1.4600，θ_f＝28.685°；其中，NA為光纖的數(shù)值化孔徑，NA＝n_coresinθ_f；n_core為光纖芯入射光線的折射率，n_clad為光纖的復(fù)合折射率，θ_f為光纖入射光的接收角；

所述錐形聚光器的如下參數(shù)取以下值：

n_cone＝1.4600，θ′_i＝17.837°，θ′_f＝19.194°，a＝0.50000mm，α＝0.67846°，L＝2.9737mm，A＝0.63522mm，其中，n_cone為錐形聚光器的折射率。

根據(jù)上述一種用于CPV的錐形聚光器，其中，光線在錐形聚光器中折射一次。

本實(shí)用新型公開(kāi)的一種用于CPV的錐形聚光器的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

步驟一：確定錐形聚光器設(shè)計(jì)所要滿足的要求，首先考慮光纖參數(shù)和錐形聚光器的輸入端以將所有入射光線匯聚后全部輸入至光纖，其中，光纖參數(shù)包括光纖芯的直徑2a和通過(guò)光纖的數(shù)值化孔徑NA得到的入射光接收角θ_f，其中，NA＝n_coresinθ_f，使錐形聚光器匯聚光線具有2a內(nèi)的直徑及輸出光線接收角θ′_f；

步驟二：限制光線在錐形聚光器中折射一次以使結(jié)構(gòu)緊湊且成本低，并確定以下的錐形聚光器設(shè)計(jì)規(guī)則：

步驟三：錐形聚光器的定位，根據(jù)以下公式七和公式八：

得出錐形聚光器的輸出端具有位置最大值，即z＜z_max+L，及錐形聚光器的輸入端具有位置最小值，即z＞z_min。

根據(jù)上述一種用于CPV的錐形聚光器的設(shè)計(jì)方法，其中，錐形聚光器的長(zhǎng)度L具有一個(gè)額外長(zhǎng)度L′。

根據(jù)上述一種用于CPV的錐形聚光器的設(shè)計(jì)方法，其中，錐形聚光器的輸出端位于菲涅耳透鏡的焦點(diǎn)處，即位于z＝f的位置時(shí)，及投射至所述錐形聚光器的輸出端的入射光束的直徑最小。

有益效果

本實(shí)用新型公開(kāi)的一種用于CPV的錐形聚光器，可以將經(jīng)菲涅耳透鏡所有入射光線匯聚后全部輸入至光纖，這樣可以實(shí)現(xiàn)數(shù)個(gè)光學(xué)單元所匯聚的高強(qiáng)度太陽(yáng)光通過(guò)光纖引導(dǎo)在一片光電轉(zhuǎn)換材料上，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，這樣減少了光電轉(zhuǎn)化單元，利于安裝維護(hù)，降低了成本。

附圖說(shuō)明

圖1是兩級(jí)聚光器的基本原理圖；

圖2是菲涅耳透鏡和光纖為了錐形聚光器設(shè)計(jì)的滿足要求的示意圖；

圖3是本實(shí)用新型公開(kāi)的一種用于CPV的錐形聚光器的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖，圖中示出了錐形聚光器的長(zhǎng)度L、錐形聚光器的輸出端的直徑2a、錐形聚光器的輸入端的直徑2A及錐形聚光器的輸出端水平傾斜角α；

圖4是本實(shí)用新型公開(kāi)的一種用于CPV的錐形聚光器的設(shè)計(jì)原理示意圖；

圖5是本實(shí)用新型公開(kāi)的一種用于CPV的錐形聚光器具有一次折射收集菲涅耳透鏡邊緣出射光線設(shè)計(jì)原理示意圖；

圖6是本實(shí)用新型公開(kāi)的一種用于CPV的錐形聚光器收集所有入射光束位置最大值處的光路圖；

圖7是本實(shí)用新型公開(kāi)的一種用于CPV的錐形聚光器收集所有入射光束位置最小值處的光路圖；

圖8是本實(shí)用新型公開(kāi)的一種用于CPV的錐形聚光器收集所有入射光束位置最優(yōu)值處的光路圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本實(shí)用新型的限定。

圖2是菲涅耳透鏡和光纖為了錐形聚光器設(shè)計(jì)的滿足要求的示意圖；如圖2所示，為了設(shè)計(jì)一個(gè)錐形，我們需要確定它必須滿足的要求。首先是確定輸出，光線可以很好地聚合在光纖03內(nèi)。這里需要關(guān)注的光纖03參數(shù)是光纖芯半徑a和通常通過(guò)NA＝n_coresinθ_f得到的光纖入射光的接收角θ_f，其中，n_core為光纖芯入射光線的折射率。聚光器必須聚合光線的直徑在2a內(nèi)及具有最大光纖入射光的接收角θ_f。

在錐形聚光器輸入端的要求通過(guò)菲涅耳透鏡以第一方法得到。其他要求可以考慮從偏差優(yōu)化或1D跟蹤系統(tǒng)。在第一種方法中，只有兩個(gè)要求：錐形聚光器的輸入端必須具有大于或等于焦點(diǎn)光束寬度2w的直徑以能夠收集所有入射光線。錐形聚光器的輸入端也需要具有能夠捕獲來(lái)自菲涅耳透鏡的邊緣具有出射角θ_i的光線，這個(gè)出射角與菲涅耳透鏡的直徑d和焦距f有關(guān)，如下公式所示：

由于錐形聚光器采用具有折射率n_cone的玻璃制成的，入射光線和出射光線折射。由斯內(nèi)爾笛卡爾關(guān)系，在錐形聚光器內(nèi)，菲涅耳透鏡邊緣出射光線出射角θ_i和光纖入射光的接收角θ_f分別變?yōu)殄F形聚光器的輸入光線角θ′_i和錐形聚光器的輸出光線接收角θ′_f，其關(guān)系如下列公式組二所示：

如圖3所示，一個(gè)簡(jiǎn)單錐形聚光器04的設(shè)計(jì)參數(shù)僅僅是錐形聚光器04的長(zhǎng)度L、錐形聚光器04的輸出端的直徑2a、錐形聚光器04的輸入端的直徑2A及錐形聚光器04的輸出端水平傾斜角α。

將錐形聚光器04的輸出端粘接至光纖的輸入端，輸出端直徑2a設(shè)置為等于光纖芯直徑，錐形聚光器04的輸入端直徑必須大于聚焦光束直徑。因?yàn)槲覀冞€不確定菲涅耳透鏡的數(shù)值，所以目前這個(gè)參數(shù)是不確定的。

錐形聚光器的輸出端水平傾斜角α與錐形聚光器內(nèi)折射后的輸出光線接收角θ′_f和輸入光線角θ′_i有關(guān)，每次折射，光束偏離光軸2α，如圖4所示，θ′_f＝180-θ′_i-2*(90-2α-θ′_i)＝θ′_i+2α，因此，只要輸入光線角θ′_i符合條件θ′_i＜θ′_f-2pα，其中，p為折射的次數(shù)，錐形聚光器就能夠聚合光線。因此使光線折射次數(shù)最小化以使θ′_i位于θ′_f以下很重要以使光線聚合進(jìn)入光纖。

本實(shí)用新型的一個(gè)目的是設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)緊湊和價(jià)格低廉的錐形聚光器。由于菲涅耳透鏡必須可以恒定的收集足夠的太陽(yáng)能，從公式一中可以看出，角度θ_i越大，整個(gè)長(zhǎng)度越短，這些限制需要將折射次數(shù)限定為1，這樣就得出了第一個(gè)主要得設(shè)計(jì)規(guī)則：

其中，α為錐形聚光器的輸出端水平傾斜角，θ′_f為錐形聚光器的輸出光線接收角，θ′_i為錐形聚光器的輸入光線角；

錐形聚光器的長(zhǎng)度由一次折射條件下的光線所限定，如圖5所示，并由下面公式得到：

其中，L為錐形聚光器的長(zhǎng)度，2a為錐形聚光器的輸出端及光纖芯的直徑；

錐形聚光器的輸入端直徑與輸出端直徑、輸出端水平傾斜角和錐形聚光器的長(zhǎng)度有如下幾何關(guān)聯(lián)：

A＝x+a＝L tanα+a 公式五

其中，2A為錐形聚光器的輸入端的直徑。

設(shè)計(jì)錐形聚光器以捕獲菲涅耳透鏡邊緣出射光線及落在錐形聚光器的邊緣是最壞的選擇，設(shè)置z軸為光軸，原點(diǎn)z＝0時(shí)位于菲涅耳透鏡的位置。錐形聚光器的最大值處是由光線由圖6所示和公式七給出的最大距離z_max的確定。然而如果錐形聚光器的輸入端直徑2A足夠大可以捕捉整個(gè)聚焦光束，錐體可以放在小于z_max的z點(diǎn)而不產(chǎn)生任何損失，如圖7所示。這種情況下得到最小位置z_min，如公式八所示，因此，錐形聚光器的位置需要在z_min和z_max之間。

其中，z為z軸上距菲涅耳透鏡的距離，z_max為z軸上錐形聚光器的輸出端距菲涅耳透鏡的最大距離，L為錐形聚光器的長(zhǎng)度，f為菲涅耳透鏡的焦距，d_max為z軸上錐形聚光器的輸出端距菲涅耳透鏡焦點(diǎn)的最大距離，d為菲涅耳透鏡的直徑，z軸為菲涅耳透鏡的光軸；

其中，z_min為z軸上錐形聚光器的輸出端距菲涅耳透鏡的最小距離。

這兩個(gè)限制表明：錐形聚光器的輸出端具有位置最大值，即z＜z_max+L，及所述錐形聚光器的輸入端具有位置最小值，即z＞z_min，錐形聚光器的長(zhǎng)度L可以具有一個(gè)額外長(zhǎng)度L′。錐形聚光器的額外長(zhǎng)度L′可以在設(shè)計(jì)上獲得更大的空間，錐形聚光器的輸出端位于菲涅耳透鏡的焦點(diǎn)處，即位于z＝f的位置時(shí)，射至所述錐形聚光器的輸出端的入射光束的直徑最小，如圖8所示，此為錐形聚光器的最佳位置。

當(dāng)菲涅耳透鏡的參數(shù)取以下值時(shí)：

d＝100mm，f＝100mm，θ_i＝26.565°，其中，θ_i為菲涅耳透鏡邊緣出射光線出射角；及

當(dāng)光纖的參數(shù)取以下值時(shí)：

a＝0.50000mm，NA＝0.48000mm，n_core＝1.4600，n_clad＝1.4600，θ_f＝28.685°；其中，NA為光纖的數(shù)值化孔徑，NA＝n_coresinθ_f；n_core為光纖芯入射光線的折射率，n_clad為光纖的復(fù)合折射率，θ_f為光纖入射光的接收角；

所述錐形聚光器的如下參數(shù)取以下值：

n_cone＝1.4600，θ′_i＝17.837°，θ′_f＝19.194°，a＝0.50000mm，α＝0.67846°，L＝2.9737mm，A＝0.63522mm，其中，n_cone為錐形聚光器的折射率。

上述參數(shù)如表一所示：

表一：錐形聚光器的設(shè)置參數(shù)

以上所述，僅是本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，并非對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做任何形式上的限制。凡是依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例做任何簡(jiǎn)單修改，形式變化和修飾，均落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。