一種用于高倍聚光光伏發電的非成像菲涅爾透鏡及其設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于光伏發電技術領域，更具體地說，涉及一種用于高倍聚光光伏發電的 非成像菲涅爾透鏡及其設計方法。
【背景技術】
[0002] 太陽能聚光光伏技術（CPV)是一種有效降低光伏發電成本的途徑，它將光學技 術與新能源結合，使光伏電池的發電大大增加，同時效率不斷得到提高，使用透鏡或反射 鏡面等光學元件，將大面積的陽光匯聚到一個極小的面積上，再通過高轉化效率的光伏電 池直接轉換為電能。高倍聚光光學系統可分為透射式和反射式，透射式光學系統中多采 用菲涅爾透鏡進行聚光且普遍采用在玻璃上用硅膠壓鑄的菲涅爾透鏡方案，俗稱S0G透 鏡（SiliconOnGlass)。S0G透鏡做為一次聚光兀件，由若干個鋸齒型的硅膠組成，其折 射率隨光譜變化關系如圖1所示，隨著波長的增加，折射率變化呈下降趨勢，380-800nm折 射率隨波長下降較快，之后則變化較為緩慢。同時聚光型光伏系統采用的是高效的三結 太陽能電池，這種高效的III一V族太陽能電池，其光譜響應為寬光譜響應，范圍一般在 380-1700nm，頂，中，底電池的響應波段分別為380-680nm，680-890nm和890-1700nm，如圖3 所示，底電池所響應的光譜較寬，幾乎是頂、中電池的兩倍，在考慮電池匹配時，一般不考慮 底電池，而只考慮頂中電池能量的匹配度。
[0003]-般來說，評估CPV光學系統的好壞，主要從以下幾個性能出發：A)光譜吸收，三 結太陽能電池由頂、中、底三結組成，頂、中電池吸收光譜較窄，通常會在這兩節電池產生限 流，因此光學系統的設計需要確保頂、中電池效率達到最大，并且盡量做到匹配，以達到最 大的發電效率；B)照度均勻性，電池表面照度的不均勻性會增加串聯電阻的損失，從而降 低I-V曲線的填充因子；C)接收角，定義為當入射光角度偏移時，降低到0度光效的90%所 對應的入射光角度，接收角越大，在戶外跟蹤時的容差值就越高。
[0004]當一束太陽光射入硅膠鋸齒的斜面時，如圖2所示，由于不同波長光所對應的折 射率不同，在斜面處產生分光效應，因此不同光譜之間所對應的焦距也不同。在傳統的菲涅 爾透鏡設計中，通常只有一個焦距，在三結太陽能電池有效吸收范圍如此寬的光譜范圍內， 最后全波段模擬時，會出現嚴重的色差現象，使得三結電池的光譜無法達到較好的匹配以 及光輻照出現不均勻分布，導致電池的發電效率大大降低。
[0005]經檢索，發明專利【申請號】201310589835. 0,申請日：2013年11月20日，發明人： 高俊，袁愛誼，發明創造名稱：用于聚光光伏組件的菲涅爾聚光鏡。該發明也旨在提高光學 效率，但是其只是從提高系統的容差角方面出發，并沒有考慮使用高效三結太陽能電池的 光譜匹配問題以及均勻性問題。又發明專利申請號 ：201210048106.X，申請日：2012年2月 28日，發明人：黃忠，發明創造名稱：一種菲涅爾聚光透鏡及菲涅爾聚光透鏡的設計方法。 該發明也旨在提高菲涅爾透鏡的聚焦光斑均勻性，不過僅僅局限于對單色光，當多色光疊 加時，均勻性就設計就失效了。因此，現有技術急需一種綜合考慮二次光學元件、寬光譜、高 均勻性與及高接收角的聚光光伏系統的應用。
【發明內容】
[0006] 1.發明要解決的技術問題
[0007] 本發明針對S0G透鏡與平頂棱鏡匹配的聚光光學系統，為解決現有技術中菲涅爾 透鏡由于色差現象導致的光學效率損失的問題，提出了一種用于高倍聚光光伏發電的非成 像菲涅爾透鏡及其設計方法。從三結電池中的各結電池的光譜吸收出發，通過對菲涅爾透 鏡進行分區設計，有效降低了由于寬光譜導致的色差效應，使三結太陽能電池的光譜達到 較好的匹配以及光輻照均勻的分布，系統在均勻性及接收角性能方面得到良好的改善，從 而大大提尚系統的發電效率。
[0008]2?技術方案
[0009] 本發明的一種用于高倍聚光光伏發電的非成像菲涅爾透鏡，其是采用如下方法設 計的，采用分區的方法，將透鏡分成3個區域進行設計，每個區域指定設計波長，對各區域 的焦距進行設計。
[0010] 作為本發明的進一步改進，其將透鏡分成3個區域的區域劃分方式為，光線通過 S0G透鏡聚焦后入射到S0E棱鏡表面，根據S0G透鏡聚焦后入射到S0E棱鏡表面的三種不同 光路：a)聚焦光斑在S0E棱鏡上表面上方；b)聚焦光斑正位于S0E棱鏡上表面；c)聚焦光 斑在S0E棱鏡上表面下方，將S0G透鏡分為3個區域，且每個區域面積相等。
[0011] 作為本發明的進一步改進，每個區域指定的設計波長為550nm。
[0012] 作為本發明的進一步改進，優化過程由光學設計軟件模擬優化。
[0013] 本發明的一種用于高倍聚光光伏發電的非成像菲涅爾透鏡的設計方法，其特征在 于：其設計方法如下：采用分區的方法，將透鏡分成3個區域進行設計，每個區域指定設計 波長，對各區域的焦距進行設計。
[0014] 作為本發明的進一步改進，其將透鏡分成3個區域的區域劃分方式為，光線通過 S0G透鏡聚焦后入射到S0E棱鏡表面，根據S0G透鏡聚焦后入射到S0E棱鏡表面的三種不同 光路：a)聚焦光斑在S0E棱鏡上表面上方；b)聚焦光斑正位于S0E棱鏡上表面；c)聚焦光 斑在S0E棱鏡上表面下方，將S0G透鏡分為3個區域，且每個區域面積相等。
[0015] 作為本發明的進一步改進，每個區域指定的設計波長為550nm。
[0016] 作為本發明的進一步改進，優化過程由TracePro光學設計軟件模擬優化。
[0017]3?有益效果
[0018] 采用本發明提供的技術方案，與現有技術相比，具有如下顯著效果：
[0019](1)本發明的一種用于高倍聚光光伏發電的非成像菲涅爾透鏡及其設計方法，在 設計高倍聚光太陽能光學系統中，引入EQE效率，對菲涅爾透鏡進行分區設計，普通的菲涅 爾透鏡是單一焦距設計，對于寬光譜的太陽能應用上，由于不同結電池吸收的光譜不同，因 此會導致不同結電池的光效與光斑均勻性差別較大，而本發明通過對菲涅爾透鏡進行分區 設計，使得透鏡有多個焦距，有效彌補了由于光譜變化對聚焦光斑的影響，降低了由于寬光 譜導致的色差效應，透鏡芯片邊緣光得到很大的提升，高斯分布消失，使系統在均勻性及接 收角性能方面得到良好的改善，均勻性能夠達到61. 5%。 4.【附圖說明】
[0020] 圖1為【背景技術】中S0G透鏡硅膠折射率隨光譜變化關系圖；
[0021] 圖2為【背景技術】中S0G透鏡硅膠鋸齒的斜面處產生分光效應的示意圖；
[0022] 圖3為【背景技術】中三界太陽能電池芯片EQE光譜響應示意圖；
[0023] 圖4為本發明實施例1中將透鏡分為的3個區域的示意圖；
[0024] 圖5為本發明實施例1中透鏡3個區域的不同光路圖；
[0025] 圖6為實施例1中分區設計后的透鏡匹配平頂棱鏡產生的輻照度分布圖
[0026] 圖7為傳統的點聚焦透鏡匹配平頂棱鏡產生的輻照度分布圖；<