一種用于cpv的錐形聚光器及其設計方法
【技術領域】
[0001 ]本發明設及一種用于CPV的錐形聚光器及其設計方法。
【背景技術】
[0002] 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，W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。
[0003] 最近光伏界為提高光電轉換能效，加強了氮化嫁=元合金用于太陽能電池應用的 關注。氮化銅嫁（InGaN)達到3.42eV和0.7eV之間的所有的間隙值，并且可W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=分之一由氮化銅嫁取得的頻譜。運個 驚人的屬性使我們能夠吸收綠色光，紫外線和紅外線。運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，當設及到能源的生產，別忘了考 慮的一個關鍵的，W科學無關的因素:制造成本。
[0004] 目前，太陽能很難低于3/W的發電成本，運是常規來源的兩倍，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。光伏界已經意識到運一點，并已經確定，結合高性能和低成本的新的研 究框架，運就是通常被稱為第=代太陽能電池。
[0005] 在運方面，我們希望使用氮化物的知識，探討氮化銅嫁太陽能板的可能性。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%。但是運種電池造價 太高，不能作為民用或普通商用，只能給NASA運樣的客戶作為太空衛星或者飛船供電使用。 Sha巧也制造出了能效44.4%的S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。運些高能效太陽能板都是利用=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。
[0006] 相對于III-V族半導體材料制成的高能效太陽能電池，娃基太陽能電池造價低，但 是能效轉換率也非常低。所W，綜合W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。
[0007] 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Ol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：
[000引第一個作用是匯聚通過菲涅耳透鏡后的光線進入光纖。如果在光纖前使用禪合器 會可W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禪合效率；
[0009]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 而不能直接禪合到光纖中，否則容易造成如圖I所示的損失。
[0010] 在W前的報告中，第二聚光器用一個復合拋物型聚光器(CPC)。運種類型的集中器 設計用來將所有的入射光W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禪合到光 纖。
【發明內容】
[0011] 本發明旨在用塊狀玻璃(如，二氧化娃)制成一個錐體作為第二聚光器。
[0012] 為了解決上述問題，本發明提供了一種用于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W下特征：
公式=
[0014]其中，a為錐形聚光器的輸出端水平傾斜角，0/f為錐形聚光器的輸出光線接收角， 0/1為錐形聚光器的輸入光線角；
公式四
[0016]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忍的直徑；
公式六
[0018] 其中，2A為錐形聚光器的輸入端的直徑。
[0019] 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 ;
[0020] 其中
公式屯；
[0021] 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，cUx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；
[0022] 其中：
公式八；
[0023] 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。
[0024] 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'。
[0025] 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：
[0026] 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。
[0027]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W下值時：
[002引 d = 100mm，f = 100mm，目i = 26.565°，其中，目功菲涅耳透鏡邊緣出射光線出射角;及
[0029] 當光纖的參數取W下值時：
[0030] 日=0.50000111111，魁=0.48000臟，。柳6=1.4600，山13<1=1.4600，目：=28.685。；其中， NA為光纖的數值化孔徑，NA = IWe sin目f;nG〇re為光纖忍入射光線的折射率，riGiad為光纖的 復合折射率，0f為光纖入射光的接收角；
[0031] 所述錐形聚光器的如下參數取W下值：
[0032] Dcone = 1.4600，目'1 = 17.837。，目'f = 19.194。，a = 0.50000mm，日=0.67846。，L = 2.9737mm，A = 0.63522mm，其中，ncone為錐形聚光器的折射率。
[0033] 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。
[0034] 本發明還公開了一種用于CPV的錐形聚光器及其設計方法，包括W下步驟：
[0035] 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W將所有入射光線匯聚后全部輸入至光纖，其中，光纖參數包括光纖忍的直徑2a 和通過光纖的數值化孔徑NA得到的入射光接收角0f，其中，NA = IWe sin0f，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0/f;
[0036] 步驟二：限制光線在錐形聚光器中折射一次W使結構緊湊且成本低，并確定W下 的錐形聚光器設計規則：
[0040]步驟錐形聚光器的定位，根據W下公式屯和公式八：
[0043] 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。
[0044] 根據上述一種用于CPV的錐形聚光器及其設計方法，其中，錐形聚光器的長度L具 有一個額外長度1/。
[0045] 根據上述一種用于CPV的錐形聚光器及其設計方法，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。
[0046] 有益效果
[0047]本發明公開的一種用于CPV的錐形聚光器及其設計方法，可W將經菲涅耳透鏡所 有入射光線匯聚后全部輸入至光纖，運樣可W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，運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】
[004引圖1是兩級聚光器的基本原理圖；
[0049] 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；
[0050] 圖3是本發明公開的一種用于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a;
[0051] 圖4是本發明公開的一種用于CPV的錐形聚光器的設計原理示意圖；
[0052] 圖5是本發明公開的一種用于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；
[0053] 圖6是本發明公開的一種用于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；
[0054] 圖7是本發明公開的一種用于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；
[0055] 圖8是本發明公開的一種用于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】
[0056] 下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細描述，但不作為對本發明的限 定。
[0057] 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W很好地聚 合在光纖03內。運里需要關注的光纖03參數是光纖忍半徑a和通常通過NA=n?re sin0f得到 的光纖入射光的接收角目f，其中，ncDre為光纖忍入射光線的折射率。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0f。
[0058] 在錐形聚光器輸入端的要求通過菲涅耳