一種用于CPV的錐形聚光器的制作方法
本實用新型涉及一種用于CPV的錐形聚光器。
背景技術：
CPV(聚光光伏)太陽能發電系統是一種新型太陽能系統，與普通太陽能板的區別是它通過一個聚光鏡來聚焦太陽能，把光投射到一個非常小但是高轉化率的半導體光電轉換材料上。目前CPV聚光鏡分為兩種：圓形透鏡和正方形透鏡，以往CPV太陽能發電系統每個光學單元下都會和一個半導體光電轉換部件連接，進行發電。
最近光伏界為提高光電轉換能效，加強了氮化鎵三元合金用于太陽能電池應用的關注。氮化銦鎵(InGaN)達到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光譜。其它III-V族半導體，通常使用僅覆蓋三分之一由氮化銦鎵取得的頻譜。這個驚人的屬性使我們能夠吸收綠色光，紫外線和紅外線。這種疊層太陽能電池實現了86.8％的理論轉換效率，是向光電轉換極限邁出的一大步。但是，當涉及到能源的生產，別忘了考慮的一個關鍵的，以科學無關的因素，即制造成本。
目前，太陽能很難低于3/W的發電成本，這是常規來源的兩倍，如石油或核的成本。其結果是，盡管是一個安全、環保的技術，但是太陽能電池還沒有能夠立足于他們本應該在能源市場上的位置。光伏界已經意識到這一點，并已經確定，結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能電池。
在這方面，我們希望使用氮化物的知識，探討氮化銦鎵太陽能板的可能性。目前市場上能效轉換最高的是Soitec生產的太陽能電池，能效轉換高達46％。但是這種電池造價太高，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％的三層疊加太陽能板。西班牙的IES和UPM制造出了能效為32.6％的太陽能板。這些高能效太陽能板都是利用三五組半導體材料制造，他們都具有高能效轉化但是造價高的特點。
相對于III-V族半導體材料制成的高能效太陽能電池，硅基太陽能電池造價低，但是能效轉換率也非常低。所以，綜合以上優缺點，我們希望通過利用III-V族半導體材料的優點，利用光纖把多個聚光單元的光束打在一塊光電轉換材料板上，之前需要每個聚光單元對應一個光電轉換材料，現在由于加入了光纖，可是實現多個聚光單元對應一個光電轉換材料，大大降低了造價，降低了每瓦電的生產價格。
圖1是兩級聚光器的基本原理圖，如圖1中所示，通過第一聚光器01，第二聚光器02和一根光纖03，整個設置用來把太陽光匯聚至太陽能電池，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，其次通過第二聚光器02有兩個作用：
第一個作用是匯聚通過菲涅耳透鏡后的光線進入光纖。如果在光纖前使用耦合器會可以大大減弱光束進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；
第二個作用是二次聚光，因為對透鏡來說直接得到一個直徑小于光纖的焦點是很難的。事實上，因為太陽光有非常廣泛的光譜，焦點分布在幾厘米之內，焦點直徑可能過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。
在以前的報告中，第二聚光器用一個復合拋物型聚光器(CPC)。這種類型的集中器設計用來將所有的入射光以理想的匯聚度在限定的接受角度內集中至輸出面。然而，在本報告中已證明輸出光線具有高達90度的角度，因此，CPC不能有效地用于將光線耦合到光纖。
技術實現要素：
本實用新型旨在用塊狀玻璃(如，二氧化硅)制成一個錐體作為第二聚光器。
為了解決上述問題，本實用新型提供了一種用于CPV的錐形聚光器，將經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＜zmax+L，及所述錐形聚光器的輸入端具有位置最小值，即z＞zmin；
其中，
其中，z為z軸上距菲涅耳透鏡的距離，zmax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為錐形聚光器的長度，f為菲涅耳透鏡的焦距，dmax為z軸上錐形聚光器的輸出端距菲涅耳透鏡焦點的最大距離，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，zmin為z軸上錐形聚光器的輸出端距菲涅耳透鏡的最小距離。
根據上述一種用于CPV的錐形聚光器，其中，錐形聚光器的長度L具有一個額外長度L′。
根據上述一種用于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處，即位于z＝f的位置時，
根據上述一種用于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。
根據上述一種用于CPV的錐形聚光器，其中，當菲涅耳透鏡的參數取以下值時：
d＝100mm，f＝100mm，θi＝26.565°，其中，θi為菲涅耳透鏡邊緣出射光線出射角；及
當光纖的參數取以下值時：
a＝0.50000mm，NA＝0.48000mm，ncore＝1.4600，nclad＝1.4600，θf＝28.685°；其中，NA為光纖的數值化孔徑，NA＝ncoresinθf；ncore為光纖芯入射光線的折射率，nclad為光纖的復合折射率，θf為光纖入射光的接收角；
所述錐形聚光器的如下參數取以下值：
ncone＝1.4600，θ′i＝17.837°，θ′f＝19.194°，a＝0.50000mm，α＝0.67846°，L＝2.9737mm，A＝0.63522mm，其中，ncone為錐形聚光器的折射率。
根據上述一種用于CPV的錐形聚光器，其中，光線在錐形聚光器中折射一次。
本實用新型公開的一種用于CPV的錐形聚光器的設計方法，包括以下步驟：
步驟一：確定錐形聚光器設計所要滿足的要求，首先考慮光纖參數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，光纖參數包括光纖芯的直徑2a和通過光纖的數值化孔徑NA得到的入射光接收角θf，其中，NA＝ncoresinθf，使錐形聚光器匯聚光線具有2a內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構緊湊且成本低，并確定以下的錐形聚光器設計規則：
步驟三：錐形聚光器的定位，根據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＜zmax+L，及錐形聚光器的輸入端具有位置最小值，即z＞zmin。
根據上述一種用于CPV的錐形聚光器的設計方法，其中，錐形聚光器的長度L具有一個額外長度L′。
根據上述一種用于CPV的錐形聚光器的設計方法，其中，錐形聚光器的輸出端位于菲涅耳透鏡的焦點處，即位于z＝f的位置時，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
本實用新型公開的一種用于CPV的錐形聚光器，可以將經菲涅耳透鏡所有入射光線匯聚后全部輸入至光纖，這樣可以實現數個光學單元所匯聚的高強度太陽光通過光纖引導在一片光電轉換材料上，進行光電轉化，這樣減少了光電轉化單元，利于安裝維護，降低了成本。
附圖說明
圖1是兩級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計的滿足要求的示意圖；
圖3是本實用新型公開的一種用于CPV的錐形聚光器的設計簡圖，圖中示出了錐形聚光器的長度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是本實用新型公開的一種用于CPV的錐形聚光器的設計原理示意圖；
圖5是本實用新型公開的一種用于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計原理示意圖；
圖6是本實用新型公開的一種用于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是本實用新型公開的一種用于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是本實用新型公開的一種用于CPV的錐形聚光器收集所有入射光束位置最優值處的光路圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步詳細描述，但不作為對本實用新型的限定。
圖2是菲涅耳透鏡和光纖為了錐形聚光器設計的滿足要求的示意圖；如圖2所示，為了設計一個錐形，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。這里需要關注的光纖03參數是光纖芯半徑a和通常通過NA＝ncoresinθf得到的光纖入射光的接收角θf，其中，ncore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內及具有最大光纖入射光的接收角θf。
在錐形聚光器輸入端的要求通過菲涅耳透鏡以第一方法得到。其他要求可以考慮從偏差優化或1D跟蹤系統。在第一種方法中，只有兩個要求：錐形聚光器的輸入端必須具有大于或等于焦點光束寬度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自菲涅耳透鏡的邊緣具有出射角θi的光線，這個出射角與菲涅耳透鏡的直徑d和焦距f有關，如下公式所示：
由于錐形聚光器采用具有折射率ncone的玻璃制成的，入射光線和出射光線折射。由斯內爾笛卡爾關系，在錐形聚光器內，菲涅耳透鏡邊緣出射光線出射角θi和光纖入射光的接收角θf分別變為錐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，其關系如下列公式組二所示：
如圖3所示，一個簡單錐形聚光器04的設計參數僅僅是錐形聚光器04的長度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。因為我們還不確定菲涅耳透鏡的數值，所以目前這個參數是不確定的。
錐形聚光器的輸出端水平傾斜角α與錐形聚光器內折射后的輸出光線接收角θ′f和輸入光線角θ′i有關，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，錐形聚光器就能夠聚合光線。因此使光線折射次數最小化以使θ′i位于θ′f以下很重要以使光線聚合進入光纖。
本實用新型的一個目的是設計一種結構緊湊和價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能，從公式一中可以看出，角度θi越大，整個長度越短，這些限制需要將折射次數限定為1，這樣就得出了第一個主要得設計規則：
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度有如下幾何關聯：
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。
設計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，設置z軸為光軸，原點z＝0時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zmax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聚焦光束，錐體可以放在小于zmax的z點而不產生任何損失，如圖7所示。這種情況下得到最小位置zmin，如公式八所示，因此，錐形聚光器的位置需要在zmin和zmax之間。
其中，z為z軸上距菲涅耳透鏡的距離，zmax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為錐形聚光器的長度，f為菲涅耳透鏡的焦距，dmax為z軸上錐形聚光器的輸出端距菲涅耳透鏡焦點的最大距離，d為菲涅耳透鏡的直徑，z軸為菲涅耳透鏡的光軸；
其中，zmin為z軸上錐形聚光器的輸出端距菲涅耳透鏡的最小距離。
這兩個限制表明：錐形聚光器的輸出端具有位置最大值，即z＜zmax+L，及所述錐形聚光器的輸入端具有位置最小值，即z＞zmin，錐形聚光器的長度L可以具有一個額外長度L′。錐形聚光器的額外長度L′可以在設計上獲得更大的空間，錐形聚光器的輸出端位于菲涅耳透鏡的焦點處，即位于z＝f的位置時，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。
當菲涅耳透鏡的參數取以下值時：
d＝100mm，f＝100mm，θi＝26.565°，其中，θi為菲涅耳透鏡邊緣出射光線出射角；及
當光纖的參數取以下值時：
a＝0.50000mm，NA＝0.48000mm，ncore＝1.4600，nclad＝1.4600，θf＝28.685°；其中，NA為光纖的數值化孔徑，NA＝ncoresinθf；ncore為光纖芯入射光線的折射率，nclad為光纖的復合折射率，θf為光纖入射光的接收角；
所述錐形聚光器的如下參數取以下值：
ncone＝1.4600，θ′i＝17.837°，θ′f＝19.194°，a＝0.50000mm，α＝0.67846°，L＝2.9737mm，A＝0.63522mm，其中，ncone為錐形聚光器的折射率。
上述參數如表一所示：
表一：錐形聚光器的設置參數
以上所述，僅是本實用新型較佳的實施方式，并非對本實用新型的技術方案做任何形式上的限制。凡是依據本實用新型的技術實質對以上實施例做任何簡單修改，形式變化和修飾，均落入本實用新型的保護范圍。
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