基于菲涅爾透鏡與拋物面反射鏡光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于菲涅爾透鏡與拋物面反射鏡光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王婭妮,劉建勝

(北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京100191)

摘要在菲涅爾透鏡具有聚光特性的基礎(chǔ)上,提出一種同時(shí)利用拋物面反射鏡焦點(diǎn)發(fā)出的光線可反射成平行光的特性混合式聚光光伏系統(tǒng)。利用Zemax軟件,對(duì)整個(gè)聚光光伏系統(tǒng)進(jìn)行仿真并得到初步仿真數(shù)據(jù),參考仿真結(jié)果對(duì)聚光系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化,提高了光能吸收率和有效幾何聚光比,同時(shí)降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本提高了實(shí)用性。

關(guān)鍵詞菲涅爾透鏡;拋物面反射鏡;Zemax;光能吸收率;有效幾何聚光比

收稿日期:2015-04-28

作者簡(jiǎn)介:王婭妮(1990—),女,碩士研究生。研究方向:光學(xué)系統(tǒng)與光電通信。E-mail:353802164@qq.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.12.003

中圖分類號(hào)TK513.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

Hybrid Concentrating Photovoltaic System Based on Fresnel Lens and Parabolic Reflector

WANG Yani,LIU Jiansheng

(School of Electronic Information Engineering,Beijing University of

Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

AbstractA hybrid concentrating photovoltaic system is proposed on the basis of Fresnel lens,which has the converging characteristic to get the light collected to a point.The system uses the parabolic reflector to get parallel light simultaneously.The parallel light is obtained by a point light source reflecting through parabolic reflector,and the point light should be placed on the focus of the parabolic reflector.Preliminary simulation data of the entire concentrating photovoltaic system will be obtained by Zemax.Then the condenser system can be optimized and improved in reference to the simulation results.The comparative analysis shows that the improved system achieves a higher collection efficiency and better utilization.

KeywordsFresnel lens;parabolic;reflector;Zemax;energy collection efficiency;effective geometric concentration ratio

太陽能是取之不盡、用之不竭的可再生能源,現(xiàn)今世界各國(guó)都在通過研究聚光光伏系統(tǒng)利用太陽能解決能源短缺問題。聚光光伏系統(tǒng)利用聚光器將一定面積上的太陽光匯聚到極小的區(qū)域上,通過對(duì)太陽能的集中進(jìn)行進(jìn)一步利用;提高聚光效率、降低系統(tǒng)成本成為了需解決的首要問題。傳統(tǒng)的聚光器分為折射式聚光器、反射式聚光器以及混合式聚光器等[1];折射式聚光是使用一個(gè)光學(xué)透鏡,使入射光聚焦到太陽能電池上從而增大照射面積[2];折射式聚光器的典型代表即為菲涅爾透鏡,因其高透光率、高匯聚比、便于加工且大規(guī)模使用,拋物面反射鏡則常用于反射式聚光器。本文根據(jù)菲涅爾透鏡的聚光特性與拋物面反射鏡的反射特性設(shè)計(jì)了一種新型混合式聚光系統(tǒng)。太陽光在此聚光系統(tǒng)中將進(jìn)行二次聚光再到達(dá)聚光光伏電池(CPV)接收面上。這種設(shè)計(jì)在保證較高的聚光效率及幾何匯聚比的同時(shí),相較于傳統(tǒng)聚光光伏系統(tǒng),改變了CPV接收光能的位置,將其置于太陽光入射同側(cè),可更好地實(shí)現(xiàn)光能的后續(xù)利用。

1光學(xué)系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

聚光光伏系統(tǒng)主要通過兩個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估,光能吸收效率ELC和有效幾何聚光比Cg。光能吸收效率ELC代表了總?cè)肷涔饽芘c后級(jí)太陽能電池表面能夠接收到的有效出射光光能的比值。有效幾何聚光比Cg用來描述整個(gè)聚光光伏系統(tǒng)有效面積縮小比率,其是入射光面的有效孔徑面積與太陽能電池表面面積的比值

(1)

式中,Qout為CPV上收集到的太陽能;Qin為入射到聚光光伏系統(tǒng)上的總太陽能

(2)

Seffective-aperture-area為入射光面的有效孔徑面積;Ssolar-cell-area為CPV光能吸收率的有效面積[3]。

光能收集效率ELC與有效幾何聚光比Cg越高,說明系統(tǒng)的聚光效率越高,且所需的成本越少,系統(tǒng)的相對(duì)利用價(jià)值越高。設(shè)計(jì)中首先利用了菲涅爾透鏡的聚光性能,傳統(tǒng)菲涅爾透鏡由一系列同心圓環(huán)組成,每個(gè)環(huán)帶均可看做一個(gè)小棱鏡,各環(huán)帶傾角不同,光線經(jīng)環(huán)帶平面折射后聚焦至焦點(diǎn)位置,調(diào)整環(huán)帶傾角便可改變透鏡聚焦位置,原理如圖1所示[4]。

圖1　傳統(tǒng)菲涅爾透鏡原理示意圖

如圖2所示,入射的平行光線,經(jīng)過拋物面反射鏡的反射后一定會(huì)經(jīng)過拋物面的焦點(diǎn)F,由光路的可逆性,經(jīng)過拋物面焦點(diǎn)F入射的光線,由反射鏡反射后,出射光線必為平行光,這是拋物面反射鏡的光學(xué)特性[5]。

圖2　拋物面反射鏡的工作原理示意圖

根據(jù)菲涅爾透鏡的聚光特性以及拋物面反射鏡的反射特性,首先采用菲涅爾透鏡對(duì)入射的平行光進(jìn)行聚焦,當(dāng)平行光匯聚點(diǎn)與拋物面反射鏡的焦點(diǎn)重合時(shí),發(fā)散的光線經(jīng)過拋物面反射鏡的反射,即可得到平行光,平行光再次經(jīng)過菲涅爾透鏡進(jìn)行二次聚光;此系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的聚光光伏系統(tǒng),其可將CPV安置在與入射光同側(cè)的位置,增加了工程實(shí)用性,除此之外,還有具備以下優(yōu)點(diǎn):(1)經(jīng)過兩次菲涅爾透鏡的聚光作用,光能收集效率得到提高。(2)對(duì)拋物面反射鏡反射得到的平行光的再次聚光提高了有效幾何聚光比,使得CPV的使用面積減小,降低了聚光光伏系統(tǒng)的成本?；旌鲜骄酃夤夥到y(tǒng)原理如圖3所示。

圖3　混合式聚光光伏系統(tǒng)原理圖

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

2.1系統(tǒng)建模

使用Zemax2009光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真軟件進(jìn)行建模仿真;入射波長(zhǎng)設(shè)置為615 nm,菲涅耳透鏡與拋物面反射鏡的原始參數(shù)根據(jù)普恩科技有限公司原件參考設(shè)計(jì),具體參數(shù)如下:菲涅耳透鏡的口徑大小為260 mm,焦距為130 mm,厚度為20 mm;拋物面反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:口徑大小為50 mm,焦距為50 mm。為方便計(jì)算系統(tǒng)的幾何聚光比,將入射光光源設(shè)計(jì)為矩形光源,大小為60 mm×60 mm。

入射光經(jīng)過菲涅耳透鏡的聚光作用后,形成一個(gè)極小的光斑,為使其與拋物面反射鏡的焦點(diǎn)重合,需要合理地調(diào)整拋物面反射鏡與菲涅耳透鏡的距離,便于在焦點(diǎn)處的光斑發(fā)散,經(jīng)過拋物面反射鏡的反射后得到平行光;平行光再次經(jīng)過菲涅耳透鏡的二次聚光后,光斑可由放置在入射光同側(cè)的CPV收集。仿真結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4　仿真結(jié)構(gòu)示意圖

依次選取不同的光源入射角度進(jìn)行仿真,圖5為入射角度分別為0°、10°、20°、30°的光路仿真示意圖。為提高光能吸收率,可增大CPV收集光能的面積,但CPV的面積越大,整個(gè)聚光光伏系統(tǒng)的幾何聚光比會(huì)降低,此時(shí)系統(tǒng)的成本也會(huì)增加。因此,需通過仿真,尋找到最佳的CPV尺寸大小使得聚光系統(tǒng)的成本較低、幾何聚光比較高且同時(shí)保證光能吸收率相對(duì)較高。

圖5　不同入射角度的光路仿真圖

2.2系統(tǒng)仿真分析

開啟Zemax仿真軟件的光線追蹤功能,得到如下仿真結(jié)果。

圖6　不同入射角度的會(huì)聚光斑大小

由仿真結(jié)果可知,由拋物面反射鏡反射得到的平行光可通過菲涅耳透鏡較好地聚焦,得到的光斑形狀與光能分布情況說明聚焦效果較為理想。圖7是不同角度入射光下得到的光能吸收效率及幾何聚焦比隨光線入射角變化趨勢(shì)的仿真結(jié)果。

圖7　各角度下系統(tǒng)的光能吸收率及有效 幾何匯聚比變化趨勢(shì)

隨著入射角的增大,有效幾何聚光效率及光能吸收效率均降低,產(chǎn)生此種結(jié)果的原因是:(1)當(dāng)菲涅耳透鏡口徑相對(duì)較大時(shí),相比較傳統(tǒng)透鏡,其成像質(zhì)量較差,尤其是對(duì)軸外點(diǎn)成像。這是由菲涅耳透鏡自身的成像結(jié)構(gòu)決定的,致使成像點(diǎn)球差較大,當(dāng)入射光的角度變大時(shí),球差會(huì)更明顯。對(duì)于要求焦點(diǎn)重合的拋物面反射鏡來說,此時(shí)的匯聚點(diǎn)相對(duì)理想聚光點(diǎn)來說,已經(jīng)成為了一個(gè)散斑,故影響了拋物面反射鏡的反射效果,無法得到理想的平行光通過菲涅耳透鏡進(jìn)行二次聚光作用。縮小透鏡的齒距可以減輕這個(gè)問題,但齒距不能無限縮小,所以這個(gè)問題只能盡量減輕而不能完全消除[6]。(2)菲涅耳透鏡非工作面上的光線損失。此處的光線損失是指由拋物面反射鏡反射得到的平行光通過菲涅耳透鏡聚焦時(shí),透鏡邊緣位置較低或較高的光線會(huì)經(jīng)過菲涅耳透鏡的非工作面,這部分光線無法正常聚焦,且出射的方向未知,會(huì)對(duì)整體成像造成干擾,非工作面無法消除,只能盡量減小。隨著平行光的入射角度增大,經(jīng)過非工作面的平行光增多,因此CPV的光能吸收率下降[7]。

3系統(tǒng)優(yōu)化與仿真分析

針對(duì)菲涅耳透鏡上非工作面上的光線損失,對(duì)聚光光伏系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn):增加一個(gè)菲涅耳透鏡,將通過拋物面反射鏡的平行光進(jìn)行獨(dú)立的二次聚光;盡量減小非工作面與工作面的比例,提高光能吸收率與有效幾何聚光率;系統(tǒng)優(yōu)化后聚光系統(tǒng)如圖8所示。

圖8　系統(tǒng)優(yōu)化后聚光系統(tǒng)光路仿真示意圖

系統(tǒng)優(yōu)化建模:保持拋物面反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)及入射平行光的面積不變,兩個(gè)菲涅耳透鏡的口徑大小均為130 mm,焦距為130 mm,厚度為20 mm。分別改變平行光的入射角度(除去0°入射角),進(jìn)行光線追蹤,圖9分別為平行光入射角度為10°、20°、30°時(shí)CPV收集到的光斑大小與光能分布示意圖。

圖9　優(yōu)化結(jié)構(gòu)不同入射角度的會(huì)聚光斑

將優(yōu)化后系統(tǒng)得到的光能吸收率與有效幾何聚光比通過曲線圖與未優(yōu)化的系統(tǒng)對(duì)比,由圖10可知,優(yōu)化后的系統(tǒng)光能吸收率及有效幾何聚光比均得到了提高。這說明增加一個(gè)菲涅耳透鏡進(jìn)行獨(dú)立的二次聚光可縮小非工作面與工作面的比例,從而更好地完成聚光。

圖10　結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的光能吸收率和有效幾何聚光比的對(duì)比

4結(jié)束語

此設(shè)計(jì)聚光光伏系統(tǒng)結(jié)合了菲涅爾透鏡與拋物面反射鏡,實(shí)現(xiàn)光線的高效率會(huì)聚吸收,使得太陽光能在一定范圍入射角內(nèi)得到較為可觀的光能吸收率與有效幾何匯聚比;通過仿真和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,設(shè)計(jì)出通過兩組菲涅耳透鏡分別聚光的結(jié)構(gòu),克服了在平行光入射角偏大時(shí),菲涅耳透鏡的成像作用導(dǎo)致的聚光系統(tǒng)難以得到理想光斑和非工作面比例增加的問題;仿真結(jié)果驗(yàn)證了優(yōu)化后的設(shè)計(jì)可顯著提高聚光系統(tǒng)的光能吸收率與有效幾何匯聚比,為后續(xù)優(yōu)化改進(jìn)聚光光伏系統(tǒng)提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

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