用于太阳光泵浦激光的抛物面环形阵列聚光器

为研制适用于太阳光直接泵浦激光器的聚能系统,在分析菲涅尔透镜聚光原理及缺陷的基础上,提出抛物面环形阵列聚光器的设计方法。完成了由抛物面环形阵列聚光器、菲涅尔透镜及复合抛物面聚光器（CPC）组成的太阳光泵浦激光器二级聚能方案,并与传统菲涅尔透镜方案进行了对比。光线追迹仿真分析表明:新型聚光器能够克服传统菲涅尔透镜的色散、小棱镜面像差及光线遮挡的缺陷,从而提高聚能效,使用抛物面环形阵列聚光器的多级聚能方案较传统菲涅尔透镜的多级聚能方案聚光比提高约18.5%,更适合于大相对孔径、高聚光比聚光场合的应用。     

离轴非旋转对称叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜

针对传统点聚焦菲涅尔透镜聚光分布均匀性差以及聚焦光斑形状与太阳能电池片不匹配的缺点,采用离轴非旋转对称叠加方法进行了方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜设计,透镜采用方形非旋转对称结构,设计过程中通过在透镜中心截取一方形小孔来降低聚焦光斑中心辐照度峰值,改善接收面聚光分布,以提高聚光均匀性.采用光线追迹法模拟并分析了小孔边长、离轴偏移量、离轴聚焦距等参量对聚光性能的影响,结果表明:采用该方法设计的透镜聚焦光斑形状为方形,聚光均匀度高达90%.     

室内可见光通信系统中菲涅尔透镜接收天线的设计研究

针对基于白光LED室内可见光无线光通信技术的应用需求, 设计了等齿距平面菲涅尔透镜. 相比常规透镜光接收天线, 菲涅尔透镜具有聚焦能力强、焦距短、透镜厚度薄、重量轻、成本低等优点. 利用Trace pro软件对设计进行了模拟仿真, 分析了透镜不同设计参数对接收天线光学增益、光学效率及光斑尺寸的影响, 讨论了透镜在平行光斜入射时的会聚情况. 结果表明, 平面点聚焦菲涅尔透镜的光学效率可达92.1%, 适用于小视场、高增益接收光学系统前端.     

像面照度均匀的环带式菲涅尔透镜设计

为了解决太阳光经传统菲涅尔聚光镜聚光后太阳能电池接收面上的光强分布不均匀问题,设计了一种环带式菲涅尔聚光镜。根据菲涅尔环带设计方法,把接收面划分为与之对应的环带,使光线在经过菲涅尔聚光镜的表面环带后进入相应的接受面环带,减少了光能损失并提高了光强分布均匀性。给出了在350 nm ~760 nm波段范围内太阳张角角度为0.54°、口径200 mm、高宽比为0.65、聚光比为400的菲涅尔聚光系统设计实例,通过Tracepro模拟并分析了菲涅尔聚光镜的光学能力。结果表明:在接收面尺寸相同的情况下与参数相同的的传统匀光菲涅尔聚光镜相比,此环带菲涅尔透镜光斑能量分布均匀性达到75%。     

分区域多焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅耳透镜设计

针对传统点聚焦菲涅耳透镜聚光分布均匀性较差以及聚焦光斑形状与太阳能电池片不匹配的缺点,提出了一种分区多焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅耳透镜的设计方法。在传统圆形同心环带点聚集菲涅耳透镜的基础上截取4个缺角等腰直角三角形菲涅耳透镜单元,做无缝拼接形成分区域四焦点叠加的方形光斑均匀聚光菲涅耳透镜,通过这4个区域光的叠加有效改善了聚光的均匀度。基于光线追迹法,采用TracePro光线模拟软件模拟并分析了环距、缺角弦长、腰长等透镜结构参数对聚焦光斑形状、聚光均匀度、辐照度等光学性能参数的影响。结果表明采用该方法设计的透镜聚焦光斑形状为方形,聚光均匀度高达90%以上。     

高倍聚光模组系统研究与设计

聚光系统的聚光效率和能量均匀性直接影响单位模组的发电效率。本文研究设计出高倍聚光模组系统,该系统主要包括菲涅耳透镜和球冠平顶微棱镜。采用中心波长修正法进行菲涅耳透镜的设计,并通过Zemax仿真模拟设计出球冠平顶微棱镜。最后通过Zemax模拟,决定选取两侧面夹角α的角度为117°,平顶到球面的间隔g为0.2 mm,球冠平顶微棱镜的曲率半径R为10 mm。聚光系统整体的聚光效率达99.8%,能量均匀度为0.812,并进行实验验证,得出实际聚光效率为83.1%。     

新型线聚焦菲涅耳透镜设计及其聚光特性研究

聚光光伏系统中电池表面热流密度分布不均匀导致系统光电转换效率降低,同时出现局部过热问题,严重影响了光伏电池系统的效率。为了解决这一问题,本文设计了一种可以使太阳投射辐射能量均匀化分布于接收面的新型线聚焦菲涅耳透镜,并运用蒙特卡罗光线追迹法对常见的菲涅耳透镜及本文设计新型线聚焦菲涅耳透镜的聚光特性进行了对比研究。模拟结果表明,新型透镜极大地改善了电池表面热流分布的均匀性。针对新型透镜聚光特性,考察了不同设计接受面宽度、太阳光不平行灾角、入射光束波长、入射光倾角及电池位置等因素对电池表面热流密度分布的影响。     

用于光伏系统新型菲涅耳线聚焦聚光透镜设计

根据边缘光线原理,优化设计太阳电池及光伏系统的菲涅耳线聚焦聚光透镜.设计光学聚光率为18×,可用于空间、地面光伏系统的聚光系统.分析了其集光角特性,表明该菲涅耳线聚焦棱镜具有大的集光角(±7°).     

开放光路TDLAS气体检测系统光学接收组件设计

针对开放光路TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱技术)气体检测系统中,由于角反射器在生产及使用过程中表面光洁度下降及大气传输扰动造成回波信号入射方向与接收透镜光轴非严格平行,从而导致系统探测灵敏度下降的问题,分析回波信号与菲涅尔透镜光轴夹角不同时的汇聚点偏移量,设计了由圆锥体反射器和抛物面反射器组成的二次光学元件,并运用TracePro光学软件对其参数进行优化。在回波光线-6°~6°入射角偏差范围条件下对优化设计的光学接收组件进行聚光特性模拟。模拟结果表明:优化设计的光学接收组件接收角为4.9°,光学效率为78.24%,与单独菲涅尔透镜及菲涅尔透镜-复合抛物面聚光器(CPC)光学接收组件相比聚光性能明显提高,适用于实际检测过程。     

球基面菲涅耳透镜设计及其聚光特性

本文探讨设计球基面菲涅耳透镜的方法和球差计算公式,分析各种可能的设计结果,通过计算实例说明影响光效率的各种因素。提出内齿形球基面菲涅耳透镜比平基面菲湟耳透镜的光效率增加20％—100％。     

新型菲涅尔线聚焦聚光太阳电池组件研究

以聚甲基丙烯酸甲脂为材料,采用热压成型工艺加工成型线聚焦菲涅尔聚光透镜(8×),可用于空间、地面光伏系统太阳电池组件的聚光系统,并对在其聚光条件下,太阳电池的电流电压特性进行测试,结果表明,该菲涅尔线聚焦棱镜能有效提高太阳电池的单位输出功率.模具的机械加工精度和光学抛光精度低,是造成其部分聚光率损失的原因.     

基于菲聂尔透镜的聚焦太阳能PV/T系统热电性能研究

本文建立了基于菲涅尔透镜的聚焦型PV/T热电联产系统的一维稳态传热模型,对六种不同结构的PV/T系统的热、电效率和(火用)效率进行了计算,利用(火用)效率作为评价标准对六种系统进行了比较.分析表明采用聚焦型PV/T系统,在牺牲少量发电效率的基础上,可以获得具有一定温度的热能;增添玻璃盖板虽然能够减少热损失,但同时使得系统的光学效率降低,减少电池上的能量密度,反而使得系统的(火用)效率降低1%;环境恶劣的情况下,应将集热管外加保温腔体,透镜起到盖板和聚光器的双重作用,在不损失发电量的同时可以提高系统的热效率.     

Solar radiation concentrators paired with multijunction photoelectric converters in ground-based solar power plants (part I)

We have developed a method for determining parameters of radiation concentrator in solar power plants. To estimate the efficiency of concentrators in the form of Fresnel lenses in setups with three-junction photoelectric converters, the concept of the efficiency of the concentrator–photoelectric converter pair has been introduced. We have proposed a method for calculating the refracting profile of concentrators taking into account the dispersion relation for the refractive index and its variations with temperature for the material of the refracting profile of the concentrator (Wacker RT604 silicone compound). The results of calculation make it possible to achieve the maximal efficiency of the concentrator–photoelectric converter pair in the presence of chromatic aberrations in the optical system of solar radiation concentration.     

新型菲涅尔线聚光太阳电池组件特性分析

以PMMA为材料,采用热压成型工艺加工线聚焦菲涅尔聚光棱镜,对在其聚光条件下不同入射角度情况下太阳电池的电流电压特性进行测试,结果表明:该菲涅尔线聚焦棱镜能有效提高太阳电池的单位输出功率,而且具有比较宽泛的集光角的特性,基本满足实际应用的要求.     

基于棱镜二次聚光的高倍聚光模组聚光特性与三结电池光谱响应匹配与优化

目前Ⅲ-Ⅴ多结高倍聚光(HCPV)太阳电池实验室效率记录已高达46%,而相对应的模组效率与之相差仍较大,其中由于模组中聚光非理想性引起的损失就高达20%.本文通过建立光学模型和非均匀光照的三维电池电路网络模型,以Ⅲ-Ⅴ族三结电池为例,研究了菲涅耳透镜一次聚光、棱镜二次聚光的HCPV模组的聚光特性和光电特性.结果发现.由于光线非平行入射和-菲涅耳透镜的色散现象,使得沿光轴方向短、中、长波段聚光发散及聚光不均匀,从而造成了三结电池的上、中、下各子电池光谱响应失配损失,模组光电转换性能下降;进一步,通过采用棱镜二次聚光,能较好地改善聚光和温度均匀性;通过对光轴方向上短、中、长波段的聚光特性与三结电池光谱响应匹配优化,使得模组输出功率提高10%以上.模拟结果己得到实验验证.     

Solar radiation concentrators paired with multijunction photoelectric converters in ground-based solar power plants (Part II)

The present work is devoted to determining the conditions of the joint operation of photoelectric converter–solar concentrator pairs, which are used in solar power plants with concentrators. Three-cascade photoconverters based on A³B⁵ materials with different distributions of solar radiation in spectral ranges are studied. Concentrators of solar radiation are designed as the Fresnel lenses with silicon-on-glass structure. Refractive lens profile fabricated on the basis of Wacker RT604 silicone rubber is characterized by significant changes in refractive index with temperature. The effect of geometric parameters of the Fresnel lenses and their operating temperature on characteristics of solar radiation concentration in specified spectral intervals have been examined. The parameters of concentrators being paired with a photoelectric converter, which may ensure the efficient functioning of the solar power plant, have been calculated.     

Optical efficiency of solar concentrators by a reverse optical path method

A method for the optical characterization of a solar concentrator, based on the reverse illumination by a Lambertian source and measurement of intensity of light projected on a far screen, has been developed. It is shown that the projected light intensity is simply correlated to the angle-resolved efficiency of a concentrator, conventionally obtained by a direct illumination procedure. The method has been applied by simulating simple reflective nonimaging and Fresnel lens concentrators.