一種折射-反射-全反射(rxi)自由曲面型太陽能聚光器的製造方法
2023-06-05 05:52:11 1
一種折射-反射-全反射(rxi)自由曲面型太陽能聚光器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種折射-反射-全反射(RXI)自由曲面型太陽能聚光器，包括RXI型太陽能聚光鏡，太陽能光伏電池片，太陽光。所述的RXI型太陽能聚光鏡整體為一個旋轉對稱結構，分上下兩個面，均為自由曲面。上表面中間部分呈下凹狀，下表面為了方便太陽能電池片安裝，底部開有一個小角度的凹槽。RXI型太陽能聚光鏡採用SMS設計方法，根據光束擴展原理和邊緣光線原理，同時設計具有折射、反射、全內反射功能的光學表面；設計的RXI型太陽能聚光鏡具有較大接收角度、聚光效率高且均勻高，從而提高光伏電池的轉換效率，進而減少太陽能電池的使用，提升材料利用率；RXI型太陽能聚光鏡設計結構小型化，材料選擇PMMA透明材質價格低廉，RXI型太陽能聚光鏡可通過注塑加工成型，進一步降低成本，可實現工業化生產，應用前景廣。
【專利說明】一種折射-反射-全反射(RXI)自由曲面型太陽能聚光器
【技術領域】
[0001]本發明專利涉及一種太陽能聚光器，具體涉及到的是折射-反射-全反射自由曲面型的太陽能聚光器。
【背景技術】
[0002]在能源問題日益突出的今天，太陽能作為一種取之不盡、用之不竭、清潔無汙染的綠色能源。有效的開發利用太陽能已成為實現能源可持續發展的重中之重，在太陽能的有效利用當中，太陽能發電技術是近年來發展最快、最具活力的研究領域之一。由於太陽能存在能流密度低、間歇性以及空間分布不均勻，光電轉換率高的光伏電池成本過高等缺點，因此提高太陽能發電系統的效率，降低發電成本仍是目前太陽能應用中面臨的主要問題。
[0003]太陽能聚光光伏發電技術利用光學聚光組件提高入射到太陽能電池表面的光能量密度，可以減少系統中昂貴太陽能電池的使用，並可大幅度提高系統整體轉換效率，是降低發電成本提高發電效率的有效途徑。但現有高聚光比的聚光系統的可收集太陽光的角度較小，通常小於±1.5°，且接收面聚光光斑均勻性較低，聚光元件體積較為龐大，曲面加工複雜，使加工難度及成本大幅度增加。目前缺乏一種可實現高效、小體積、高聚光比、大接受角度(大容忍角)、高均勻度的光學聚光組件來提高光伏電池的轉換效率，進而減少太陽能電池的使用，提升材料利用率，在聚光光伏領域取得突破性研究進展是振興光伏產業、實現可持續發展戰略的當務之急。
【發明內容】
[0004]本發明專利為克服現有聚光器聚光效率不高，均勻度低，高聚光比下可收集太陽光的角度小，體積大，成本高，工業化生產難等困難，提出了一種高效、結構小型化、聚光比高、大接受角度(大容忍角)、均勻度高，同時專利中設計的聚光鏡曲面加工簡單，可實現工業化生產的RXI型聚光器。
[0005]本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:
[0006]一種折射-反射-全反射(RXI)自由曲面型太陽能聚光器，包RXI型太陽能聚光鏡，太陽能光伏電池片，太陽光。其特徵在於:所述的RXI型太陽能聚光鏡是由材料透過率為95%的PMMA材料形成的，並且出射面和入射面都為自由曲面的聚光鏡；所述的太陽能光伏電池片安裝在RXI型太陽能聚光鏡的接收面(AB)上，進行光伏發電，並存儲電能；所述的太陽光的入射角度為5° ;為了方便太陽能光伏電池片底部的封裝，所述的太陽能光伏電池片的接收面朝向太陽光。
[0007]所述的RXI型太陽能聚光鏡整體為一個旋轉對稱結構，分上下兩個面，上表面和下表面均為自由曲面。上表面中間部分呈下凹狀，下表面為了方便太陽能電池片安裝，底部開有一個小角度的凹槽；RXI型太陽能聚光鏡的口徑為8.55mm，厚度為5mm ；RXI型太陽能聚光鏡的下表面鍍有反射率為95%的反射膜，上表面中心處半徑0.96mm以內的部分無法滿足全反射條件，同樣鍍有反射率為95%的反射膜。
[0008]本發明具有的有益效果是:
[0009]本發明設計的RXI型太陽能聚光器的太陽能光伏電池片的接收面朝向太陽光，使電池底部的封裝更為簡單；RXI型太陽能聚光鏡在高倍聚光比條件下收集的太陽光的角度較大、聚光效率高且均勻性好，提高了光伏電池的轉換效率，進而減少太陽能電池的使用，提升材料利用率；RXI型太陽能聚光鏡設計結構小型化，材料選擇PMMA透明材質價格低廉；RXI型太陽能聚光鏡可通過注塑加工成型，進一步降低成本，可實現工業化生產，應用前景廣。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1是本發明RXI型太陽能聚光器的結構示意圖。
[0011]圖2是本發明RXI型太陽能聚光器的工作過程示意圖。
[0012]圖3是本發明RXI型太陽能聚光鏡的上表面4的初始曲線示意圖。
[0013]圖4是本發明RXI型太陽能聚光鏡邊緣點X求解示意圖
[0014]圖5是本發明RXI型太陽能聚光鏡下表面曲線上點光路示意圖。
[0015]圖6是本發明RXI型太陽能聚光鏡確定下表面曲線點方法示意。
[0016]圖中，1:太陽光；2:RXI型太陽能聚光鏡；3:太陽能光伏電池片；4:上表面；5:下表面；6:小角度的凹槽；7:半徑0.96mm圓面；AB:接收面。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述:
[0018]如圖1所示，RXI型太陽能聚光器，包括太陽光1，RXI型太陽能聚光鏡2，太陽能光伏電池片3。所述的RXI型太陽能聚光鏡2整體為一個旋轉對稱結構，其選用材質為PMMA透明材質。
[0019]如圖3、4、5所示RXI型太陽能聚光鏡2上表面4和下表面5均為自由曲面,所述的上表面4和下表面5採用SMS方法設計的。根據光束擴展原理和邊緣光線原理，同時設計具有折射，反射，全內反射功能的光學表面；編寫數值計算程序得出自由曲面各點的坐標；將得到的點坐標擬合成曲線後，繞Z軸旋轉360°即得到最終的RXI型太陽能聚光鏡模型。
[0020]如圖2所示，RXI型太陽能聚光器的工作過程為:太陽光I由RXI型太陽能聚光鏡2的上表面4入射，發生折射過程(Refrect1n，R)進入聚光鏡內部，並經過RXI型太陽能聚光鏡2下表面5的反射(Reflec1n，X)到達上表面4內側，經上表面4內部反射及全反射(TIR，I)，最終到達太陽能光伏電池片3上，進行光伏發電，並存儲電能。
[0021]下面詳細說明本設計中RXI型聚光器的設計方法:
[0022]初步選定的上表面為S1，初步計算出來的下表面為s2。
[0023](I)初步選定上表面曲線S1
[0024]由於RXI型聚光器上下表面曲線均為未知，因此需考慮選取適當的面曲線使得入射光線在上表面經歷一次折射。假設初步選定的上表面曲線為S1，首先選定透鏡邊緣點R及X軸上一點I，由於1-R段曲線的選定沒有特殊要求，因此假定其為直線，則根據光線可逆原則光線^沿X軸出射，並在I點發生全反射，在全反射後的光線上選定一點F = (xf,yf)。選用以F點及O點為焦點的橢圓曲線作為P-1段，而將Q-P段選定為由三次多項式定義的曲線，該曲線在P點滿足法線方向Hp及Q點垂直向上的法線nQ，如圖3所示。
[0025](a) 1-R 段計算
[0026]根據擴展量守恆方程Ei = E0可確定RXI透鏡口徑D如下式I所示:
[0027]Ei = Sn1Dsin Θ i = 2n2dsin Θ。= E。(I)
[0028]其中，Ii1為折空氣射率，即為I ;n2 = η為透鏡材料折射率；d為接收面AB 口徑；θρ Θ。分別為透鏡接收角及接收面接收光線角度，θ。= π/2，選定透鏡邊緣點R= (D/2，yK)，選定I = (xI；O)即可確定1-R段直線方程。
[0029](b) P-1 段計算
[0030]由於P-1段橢圓曲線以F點和O點為焦點且過I點，首先確定點F坐標。F點為光線IV在I點全反射後的出射光線上的一點，則由斯涅爾定律可得:
「sin(cos-1 (.n\:)) = -sin(cos-1 (, Η\.γ--λ)⑵
[0031]v Iw1IXhl.M
[0032]其中:
[0033]TI1 = (-Sin^15 COsS1) = (-sinCtan'1■), cos(tan-1 ~))(3)
Di1- X1DH - X1'v ,
[0034]式中，6工為I點處切向量的方向角，則給定F點橫坐標值％即可確定F點坐標，從而確定橢圓曲線方程。
[0035]選定P點為由O點出射的光線在上表面發生全反射達到臨界角Θ。的邊緣點，則對於P點有:
[0036]⑷
[0037]其中，δ P為P點切線的方向角。選定P點橫坐標Xp並求得縱坐標yp從而P-1段曲線可求。
[0038](C)Q-P段曲線計算
[0039]首先選定Q點(0，yQ)，採用三次多項式來擬合Q-P段曲線，假設Q-P段曲線P(x)如下式5所示:
[0040]P (X) = a+bx+cx2+dx3(5)
[0041]根據該曲線在P點處法向量垂直於切向量，在Q點處法向量方向豎直向上。從而求得曲線P(X)。至此，上表面曲線S1已求。
[0042](2)初步計算下表面的曲線S2
[0043]根據初步選定的上表面曲線S1來計算下表面曲線S2:
[0044](a)透鏡下表面右側邊緣點X的計算
[0045]對於RXI型太陽能聚光鏡，自然光以與豎直方向成-Θ角的方向由R點入射，經上表面折射後射、下表面上點X反射後，射至點I發生全反射，最終到達接收面邊緣點B，如圖
4所示。由光路的可逆性可知，以入射R點的光線F1經折射後將與由B點出射並經I點全反射的光線r/在點X處相遇。對於光線Γι由斯涅爾定律及幾何關係可得:
[0046]sin Θ Ri = sin ( θ - δ Ε) = η.sin θ Εο(6)
[0047]式中，0Ri> θκ。分別為R點的入射角及折射角，SrSR點切線的方向角。則X、R點所在直線，1、F點所在的直線的方程都可求。兩條直線在X點相遇，可求出X點坐標(xx，yx) ο
[0048](b)選定波前位置計算光程
[0049]選定與光線A垂直的波前面W1,該波前面過光線A上點Wp選定點W1橫坐標值則可求出W1，波前面所在的直線也可求。
[0050]此時對於入射到RXI聚光鏡上的光線F1若要到達接收面上點B所通過的光程，即光線A走過W1-R-X-1-B的光程為:
[0051 ]S = 5Wj.r ++ WiS'jj.j + WjSj^b
=\RW1\ + η|Λ?| + n\Xl\ + η\?Β\(7)
[0052](c)初步計算下表面曲線S2上點
[0053]對於已求出的上表面曲線上的點，我們可以通過等光程原理求出下表面曲線上相對應的點，透鏡下表面曲線上點光路示意圖如圖5所示。
[0054]首先可以求出每個已求的上表面點In = (xsl, ysl)對應的波前面上的發射點Wn,此時光程In-Xn-Qn-B為:
[0055]i^in-B-^"?^ν-^νΙ(8)
[0056]在In點處入射光單位向量1、切向量的方向角、單位法向量η及折射光單位向量r都可確定。
[0057]在In點選定波前W1，方向垂直於In點的出射光方向，即:nwl = _rIN。折射率為η的介質中該波前到A點的光程為SIN_B。在曲線S1上選定任意點QN(o)，該點的位置可隨σ改變，σ為向量BQn ( ο)的方向角(如圖6所示)。假設有一束光從B點射至點Qn ( σ )，則QN( σ )到W1的光程為:
[0058]^Ν(σ)^=5?Ν.Β-?|5ρΝ(σ)|(9)
[0059]此時，由B點發出的光可簡化為由點QN( O )並且朝向點ΧΝ(σ )，最終以垂直與波前面^方向到達ΙΝ(σ)點的光線。對於任一點QN( σ )法向量和切向量的方向角都可求。光線rN(。)沿BQN(。)方向入射至點QN(o )，其反射光線方向可求。對於由法線方向為nwl的波前面W1出射射至下底面，經過反射後到達點Qn(O)的光線，該反射點Xn(O)可表示為:
[0060]Xn((7) = Qn⑷+ Sm -"(1N(C)-Qn⑷).?
η-ην^(σ).η^
[0061]由此點可尋找到其在波前面W1上所對應的點ΙΝ(σ)的位置，通過改變σ，使得下式:
[0062]|?Ν(σ)?Ν|=0 (11)
[0063]成立，則為Xn(O)下表面曲線S2上的點並通過曲線擬合得到曲線。
[0064](3)再次計算上表面曲線S1上點
[0065]根據所求的下底面曲線，重新計算上表面曲線
Slnew ο
[0066](4)再次計算新表面曲線，直至兩次求得的上表面曲線基本重合，則RXI型太陽能聚光鏡2、上表面4和下表面5計算完畢。
[0067]對設計的RXI型太陽能聚光鏡2編寫數值計算程序得出自由曲面上表面4和下表面5各點的坐標，將得到的點坐標擬合成曲線後，繞Z軸旋轉360°即得到最終的RXI型太陽能聚光鏡模型。
[0068]對RXI型太陽能聚光器進行建模仿真，仿真結果顯示RXI型太陽能聚光器在聚光比為300x,可接收太陽光角度範圍大於±5° ,接收面聚光光斑均勻性優於0.55,聚光效率90%以上，聚光鏡的口徑為8.55mm。通過仿真結果表明本發明設計的RXI型聚光器聚光效率效率高，均勻度高，以較小的體積獲得較大的聚光比，同時可接收的太陽光角度範圍大，產品可注塑加工成型，選用PMMA透明材質，價格低廉，可大大降低成本，可實現工業化生產，應用前景非常可觀。
【權利要求】
1.一種折射-反射-全反射(RXI)自由曲面型太陽能聚光器，包括太陽光(I)，RXI型太陽能聚光鏡(2)和太陽能光伏電池片(3)，其特徵在於:所述的RXI型太陽能聚光鏡(2)由材料透過率為95%的PMMA材料組成，口徑為8.55mm、厚度為5mm，所述的RXI型太陽能聚光鏡(2)整體為一個旋轉對稱結構，其分為均為自由曲面聚光鏡的上表面(4)和下表面(5),所述的上表面(4)的中間部分呈下凹狀,所述的上表面(4)中心處半徑0.96mm圓面以內的部分(7)鍍有反射率為95%的反射膜，所述的下表面(5)的底部開有一小角度凹槽(6)，所述的下表面(5)鍍有反射率為95%的反射膜，所述的太陽能光伏電池片(3)安裝在所述的RXI型太陽能聚光鏡(2)的接收面(AB)上，太陽光以5°的角度入射。
2.根據權利要求1所述的折射-反射-全反射(RXI)自由曲面型太陽能聚光器，其特徵在於:所述的太陽能光伏電池片⑶的接收面朝向太陽光(I)。
【文檔編號】G02B17/08GK204013378SQ201420200903
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年4月22日 優先權日:2014年4月22日
【發明者】王雪嬌, 唐柳青, 鄭春煌, 唐瑋, 胡興, 餘桂英 申請人:中國計量學院