专利名称：基于非成像光学的光伏聚光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光伏聚光器。
背景技术：
光伏发电系统中，太阳能电池的成本在整个系统成本中占很大比重。为了降低光伏发电的成本，最有效且快捷的方法是采用以有机玻璃为材料的聚光器将太阳光聚集到很小的太阳能电池表面。目前市场上应用的光伏聚光器按照聚光率可分为低倍聚光器(聚光倍数小于100)和高倍聚光器(聚光倍数大于100)。低倍聚光器是通过光学元件对光线的反射或折射达到汇聚太阳光的目的，可以实现宽集光角，但是低倍聚光致使收集太阳光的单位面积内太阳能电池的使用量仍然很大，不能大幅降低光伏发电的成本。高倍聚光器一般是通过菲涅耳透镜对光线的折射及二次均化器的折射实现对太阳光线的高倍聚光，目前技术成熟的高倍聚光器的聚光倍数在200-500。根据菲涅耳透镜的特点，更高倍数的聚光器存在高宽比太大的问题，不利于系统封装和市场应用。
发明内容
本发明为了解决现有技术聚光倍数较低的聚光器存在成本高、聚光倍数低的问题，聚光倍数较高的聚光器集光角窄、高宽比太大的问题，提出一种基于非成像光学的光伏聚光器。 基于非成像光学的光伏聚光器，它由聚光器和太阳能电池组成，所述聚光器由主透镜和二次透镜组成，主透镜和二次透镜为轴对称结构，主透镜的上表面为平面，主透镜的下表面分为两部分， 一部分为TIR区，另一部分为RR区，所述RR区在所述TIR区的中心，所述TIR区共有N个TIR区菲涅尔齿，每个TIR区菲涅尔齿由折射面和全内反射面组成，每个TIR区菲涅尔齿的折射面与主透镜的对称轴的夹角均为cp，主透镜和二次透镜的材料折射率都为n，所述二次透镜的轴截面的上表面由N段曲线组成，二次透镜的下表面为平面，二次透镜设置在主透镜的正下方，并且所述二次透镜与主透镜同轴，太阳能电池的聚光面紧贴二次透镜的下表面，并且所述二次透镜的对称轴穿过太阳能电池的聚光面的中心；
指定位于主透镜最外侧的TIR区菲涅尔齿为第一个齿，由外向内，依次为第二个齿、第三个齿……第N个齿，TIR区菲涅尔齿的形状和二次透镜的上表面的形状是由下述方法获得的 二次透镜的上表面在直角坐标系中x轴负向区域的第一段曲线、以及第一个齿的全内反射面和折射面在直角坐标系中x轴负向区域的曲线段的的形状是由下述方法获得的 步骤一、根据公式Cg = A乂A。计算聚光器的几何聚光率Cg，其中&为主透镜的上表面的面积，A。为太阳能电池聚光面的面积； 步骤二、根据步骤一的公式确定几何聚光率Cg和集光角ai ; 步骤三、以太阳能电池的聚光面中心作为坐标原点，二次透镜的对称轴为z轴建立直角坐标系，则太阳能电池的聚光面与所述直角坐标系相交的两个边界点的坐标分别为 R(r。，0)和R' (-r。，0);然后在所建立的直角坐标系中做如下操作；
首先，获得二次透镜的第一段曲线BC，执行步骤四和步骤五 步骤四、在x轴负向的第一个齿的全内反射面上选取边界点A，在x轴负向的二次 透镜的第一段曲线上选取边界点B，根据点A、点B和点R'的坐标计算获得一段二次曲线， 所述二次曲线为笛卡尔椭圆； 步骤五、根据由点A到点B边界光线E(—)的反射光线和由步骤四确定的一段二次 曲线确定该段二次曲线的端点C，获得二次透镜的第一段曲线BC，其中光线E(—)与z轴成逆 时针夹角a2 ; 其次，获得第一个齿的全内反射面曲线AF，执行步骤六和步骤七 步骤六、采用P-l个点将步骤五获得的第一段曲线BC平均分成P份，依次对于每
个点，根据反射定律、折射定律和光程相等原理，反向追踪边界光线E(—)，获得其在第一个齿
的全内反射面上对应点的坐标，最终获得第一个齿的全内反射面上P-1个点的坐标； 步骤七、将步骤六获得的第一个齿的全内反射面上P-l个点的坐标连接成非均匀
有理B样条曲线AF; 最后，获得第一个齿的折射面的直线段AH，执行步骤八 步骤八、追踪步骤六获得的第一个齿的全内反射面上P-l个点的边界光线E(+)和 E(—)，根据反射定律、折射定律和光程相等原理，计算获得第一个齿的折射面的上端边界点 H，根据所述折射面与z轴之间的夹角和边界点H、A，获得所述折射面的边界线AH，其中光线 E(+)与z轴成顺时针夹角a2 ; 二次透镜的上表面在直角坐标系中x轴负向区域的第二段曲线、以及第二个齿的 全内反射面和折射面的在直角坐标系中x轴负向区域的曲线段的获得方法为
步骤九、根据步骤六获得的第一个齿上的全内反射面上P-l个点的边界光线E(+)， 根据反射定律、折射定律和光程相等原理，确定二次透镜上的第一段曲线外的P-l个点的 坐标，其中光线E(+)与z轴成顺时针夹角a2 ; 步骤十、将步骤九获得的P-l个点的坐标，连接成非均匀有理B样条曲线CG，所述 曲线CG即为二次透镜的第二段曲线； 步骤十一、从R'点反向追踪步骤十获得的第二段曲线CG的边界光线E(—)，确定第 二个齿的最低点A1，并且所述点A1在第一个齿的最高点F的边界光线E(+)反射和折射光线 的上方； 步骤十二、将第二个齿视为第一个齿，重复执行步骤五至步骤八，获得第二个齿的 全内反射面和折射面在直角坐标系中x轴负向区域的曲线； 二次透镜的上表面在直角坐标系中x轴负向区域的第i段曲线、以及第i个齿 的全内反射面和折射面的在直角坐标系中x轴负向区域的曲线段的获得方法为，其中 3《i《N : 步骤十三、根据第i-l个齿上的全内反射面上P-l个点的边界光线E(+)，根据反射 定律、折射定律和光程相等原理，确定二次透镜上的第i段曲线上的P-l个点的坐标；
步骤十四、将步骤十三获得的P-l个点的坐标连接成非均匀有理B样条曲线CG，所 述曲线CG即为二次透镜的第i段曲线；
步骤十五、从R'点反向追踪第i-1个齿确定的CG段的边界光线E(+)和E(—)，确定 TIR区菲涅尔齿第i个齿的最低点A卜、并且所述点A卜1的位置在第i-1个齿的最高点F的 边界光线E(+)反射和折射光线的上方； 步骤十六、将第i个齿视为第一个齿，重复执行步骤五至步骤八，获得第i个齿的 全内反射面、折射面在直角坐标系中x轴负向区域的曲线；和二次透镜的上表面在直角坐 标系中X轴负向区域的第i段曲线； 第N个齿的折射面的曲线的末端与z轴不相交，RR区表面在直角坐标系中x轴负 向区域的曲线获得方法为 步骤十七、从点R'反向追踪二次透镜表面各点的折射光线，提取两次折射后的边 界曲线E(+)，根据光程相等原理计算获得RR区在直角坐标系中x轴负向区域的曲线上各点 的坐标，然后将所述各点坐标连接成非均匀有理B样条曲线，直至z轴；
如果二次透镜的第N段曲线的末端与z轴相交，则二次透镜的上表面的形状确 定； 如果二次透镜的第N段曲线的末端与z轴不相交，则根据所述第N段曲线上的点 进行样条插值，将所述第N段曲线延伸至z轴。 本发明的光伏聚光器，可以达到1000倍左右聚光倍数，小于0.5的高宽比，大于 1°的集光角，并且能够在集光角大于80%光学效率。本发明适用于应用聚光倍数较高光伏 聚光器的场合和领域。
图1为本发明的聚光器的光束传输示意图。图2为主透镜11的第一个齿的全内 反射面1122和折射面1121、与二次透镜12的上表面的第一段曲线所在平面之间的光路图。 图3为本发明的聚光器主透镜和二次透镜的立体效果图。图4是图3沿主透镜上表面对角 线截开的截面图示意图。图5为不同集光角的光线通过本发明的聚光器的光学效率的曲线 图。
具体实施例方式
具体实施方式
一 结合图1和图2说明本实施方式，基于非成像光学的光伏聚光 器，它由聚光器1和太阳能电池2组成，所述聚光器1由主透镜11和二次透镜12组成，主 透镜11和二次透镜12为轴对称结构，主透镜11的上表面111为平面，主透镜11的下表面 分为两部分，一部分为TIR区，另一部分为RR区113，所述RR区113在所述TIR区的中心， 所述TIR区共有N个TIR区菲涅尔齿112，每个TIR区菲涅尔齿112由折射面1121和全内 反射面1122组成，每个TIR区菲涅尔齿112的折射面1121与主透镜11的对称轴的夹角均 为Cp，主透镜11和二次透镜12的材料折射率都为n，所述二次透镜12的轴截面的上表面由 N段曲线组成，二次透镜12的下表面为平面，二次透镜12设置在主透镜11的正下方，并且 所述二次透镜12与主透镜11同轴，太阳能电池2的聚光面紧贴二次透镜12的下表面，并 且所述二次透镜12的对称轴穿过太阳能电池2的聚光面的中心； 指定位于主透镜11最外侧的TIR区菲涅尔齿112为第一个齿，由外向内，依次为 第二个齿、第三个齿……第N个齿，TIR区菲涅尔齿112的形状和二次透镜12的上表面的形状是由下述方法获得的 二次透镜12的上表面在直角坐标系中X轴负向区域的第一段曲线、以及第一个齿 的全内反射面1122和折射面1121在直角坐标系中x轴负向区域的曲线段的的形状是由下 述方法获得的 步骤一、根据公式<formula>formula see original document page 9</formula>计算聚光器1的几何聚光率Cg，其中&为主透镜11
的上表面111的面积，A。为太阳能电池2聚光面的面积； 步骤二、根据步骤一的公式确定几何聚光率Cg和集光角ai ; 步骤三、以太阳能电池2的聚光面中心作为坐标原点，二次透镜12的对称轴为z
轴建立直角坐标系，则太阳能电池2的聚光面与所述直角坐标系相交的两个边界点的坐标
分别为R(r。，0)和R' (-r。，0);然后在所建立的直角坐标系中做如下操作； 首先，获得二次透镜12的第一段曲线BC，执行步骤四和步骤五 步骤四、在x轴负向的第一个齿的全内反射面1122上选取边界点A，在x轴负向的
二次透镜12的第一段曲线上选取边界点B，根据点A、点B和点R'的坐标计算获得一段二
次曲线，所述二次曲线为笛卡尔椭圆； 步骤五、根据由点A到点B边界光线E(—)的反射光线和由步骤四确定的一段二次 曲线确定该段二次曲线的端点C，获得二次透镜12的第一段曲线BC，其中光线E(—)与z轴 成逆时针夹角a2 ; 其次，获得第一个齿的全内反射面1122曲线AF，执行步骤六和步骤七
步骤六、采用P-l个点将步骤五获得的第一段曲线BC平均分成P份，依次对于每 个点，根据反射定律、折射定律和光程相等原理，反向追踪边界光线E(—)，获得其在第一个齿 的全内反射面1122上对应点的坐标，最终获得第一个齿的全内反射面1122上P-l个点的 坐标； 步骤七、将步骤六获得的第一个齿的全内反射面1122上P-1个点的坐标连接成非 均匀有理B样条曲线AF ; 最后，获得第一个齿的折射面1121的直线段AH，执行步骤八
步骤八、追踪步骤六获得的第一个齿的全内反射面1122上P-l个点的边界光线 E(+)和E(—)，根据反射定律、折射定律和光程相等原理，计算获得第一个齿的折射面1121的 上端边界点H，根据所述折射面1121与z轴之间的夹角和边界点H、A，获得所述折射面1121 的边界线AH，其中光线E(+)与z轴成顺时针夹角a2 ; 二次透镜12的上表面在直角坐标系中x轴负向区域的第二段曲线、以及第二个齿 的全内反射面1122和折射面1121的在直角坐标系中x轴负向区域的曲线段的获得方法 为 步骤九、根据步骤六获得的第一个齿上的全内反射面1122上P-1个点的边界光线 E(+)，根据反射定律、折射定律和光程相等原理，确定二次透镜12上的第一段曲线外的P-l 个点的坐标，其中光线E(+)与z轴成顺时针夹角a2 ; 步骤十、将步骤九获得的P-l个点的坐标，连接成非均匀有理B样条曲线CG，所述 曲线CG即为二次透镜12的第二段曲线； 步骤十一、从R'点反向追踪步骤十获得的第二段曲线CG的边界光线E(—)，确定第 二个齿的最低点A1，并且所述点A1在第一个齿的最高点F的边界光线E(+)反射和折射光线的上方； 步骤十二、将第二个齿视为第一个齿，重复执行步骤五至步骤八，获得第二个齿的 全内反射面1122和折射面1121在直角坐标系中x轴负向区域的曲线；
二次透镜12的上表面在直角坐标系中x轴负向区域的第i段曲线、以及第i个齿 的全内反射面1122和折射面1121的在直角坐标系中x轴负向区域的曲线段的获得方法 为，其中3《i《N : 步骤十三、根据第i-l个齿上的全内反射面1122上P-l个点的边界光线E(+)，根据 反射定律、折射定律和光程相等原理，确定二次透镜12上的第i段曲线上的P-l个点的坐 标； 步骤十四、将步骤十三获得的P-l个点的坐标连接成非均匀有理B样条曲线CG，所 述曲线CG即为二次透镜12的第i段曲线； 步骤十五、从R'点反向追踪第i-l个齿确定的CG段的边界光线E(+)和E(—)，确定 TIR区菲涅尔齿112第i个齿的最低点A卜、并且所述点Ai—1的位置在第i-l个齿的最高点 F的边界光线E(+)反射和折射光线的上方； 步骤十六、将第i个齿视为第一个齿，重复执行步骤五至步骤八，获得第i个齿的 全内反射面1122、折射面1121在直角坐标系中x轴负向区域的曲线；和二次透镜12的上 表面在直角坐标系中x轴负向区域的第i段曲线； 第N个齿的折射面1121的曲线的末端与z轴不相交，RR区113表面在直角坐标 系中x轴负向区域的曲线获得方法为 步骤十七、从点R'反向追踪二次透镜12表面各点的折射光线，提取两次折射后的 边界曲线E(+)，根据光程相等原理计算获得RR区113在直角坐标系中x轴负向区域的曲线 上各点的坐标，然后将所述各点坐标连接成非均匀有理B样条曲线，直至z轴；
如果二次透镜12的第N段曲线的末端与z轴相交，则二次透镜12的上表面的形 状确定； 如果二次透镜12的第N段曲线的末端与z轴不相交，则根据所述第N段曲线上的 点进行样条插值，将所述第N段曲线延伸至z轴。 如果达到最大限度的聚光，则太阳能电池2接收到的入射光线的角度应为 ±90° 。 在实际应用过程中可以根据实际需要和条件限制，将聚光器的主透镜切割成需要 的形状，例如正方形。
具体实施方式
二 本实施方式是对具体实施方式
一中步骤一的进一步说明步骤 一中所述的Cg = A乂A。是根据下述方法获得的主透镜11的上表面111接收光束Mi，入射 光线的集光角为&，太阳能电池2表面接收到的光束M。，上表面111接收光束Mi的边界光线 dMi是以接收面每点处与该点法线成ai角的光线，接收光束Mi经过上表面111折射后的光 束为Mint， a2为光束Mint与z轴的最大夹角，a2称为主透镜11的内集光角，其计算公式为
sin(a》=n sin(a2) 上式中的n为聚光器l的主透镜11和二次透镜12的材料折射率，太阳能电池2聚 光器表面接收到的光束M。的边界光线dM。为主透镜11表面接收光束Mi的边界光线dMi的 光线经过主透镜11和二次透镜12后投射到接收面的光线，主透镜11上表面的半径为i>
10面积为Ai，太阳能电池2的半径为r。，面积为A。，则聚光器1的几何聚光率为Cg :
Cg = A氛。 步骤二中几何聚光率Cg和集光角ai的具体获得方法；根据Etendue的定义，计算 三维空间Mi和M。光束的Etendue值 = JJcos^/QW= JJcos夕2;r sin夕d(9 cL4
cos6> sin<9 d<9
=2丌4 silica,)
￡他=JJ"2 cos6WQW= JJ"2cos0 2;r sin夕d夕cL4 = A 2;r ^ 1 cos6> sin<9 = 2;r "2 j0 其中Q为体积角Q = 2 Ji sin 9 ，贝U [o酬￡^^^Cg=^^^^ 确定满足上述公式的几何聚光率Cg和集光角ai。 因此，聚光器1各表面的获取问题转化为Mint光束传输到M。的问题。根据边界光 线原理，聚光器1的获取问题又转化为dMint光束传输到dM。的问题，其中dMint光束为与z 向夹角为aint的光线，aint为光束Mint射出TIR区菲涅尔齿112时与z轴的最大夹角。
具体实施方式
三本实施方式是对具体实施方式
一中步骤四的进一步说明步骤 四中点A的坐标为(xA， zA)，点B的坐标为(xB， zB)，根据点A、点B和点R'的坐标计算出二 次透镜12的表面边界的一段二次曲线，所述二次曲线为笛卡尔椭圆，曲线方程为
<formula>formula see original document page 11</formula> <formula>formula see original document page 11</formula> <formula>formula see original document page 11</formula>
<formula>formula see original document page 11</formula>具体实施方式
四本实施方式是对具体实施方式
一中步骤五的进一步说明点C的 获得方法为根据边界光线E(—)光路计算出全内反射面1122在点A处的法线，再计算出边 界光线E(+)在点A处的反射光线，所述反射光线与公式二所描述的曲线的交点为笛卡尔椭 圆的端点C。
具体实施方式
五本实施方式是对具体实施方式
一中步骤六的进一步说明依次对 于每个点，根据反射定律、折射定律和光程相等原理，反向追踪边界光线E(—)，获得其在第一 个齿的全内反射面1122上对应点的坐标的方法为选取点N"计算点K处笛卡尔椭圆的法 线，反向追踪点R'到点K的光线iv—N1，经过点&折射后的光线为rN1—D，rN1—D投射到第一个 齿的折射面1121的点为点D，由点D折射光线的边界光线E(—)确定点D在第一个齿的全内反射面1122上的对应点E所在直线，根据点D的边界光线E(—)与点A的边界光线E(—)光程 相等原理，确定点E的坐标。 逐一对第一段曲线BC上的P-l个点作如上处理，最终计算笛卡尔椭圆轨迹上P-l 个点对应的全内反射面1122上P-l个点的坐标。
具体实施方式
六本实施方式是对具体实施方式
一中步骤九的进一步说明根据第 一个齿上的全内反射面1122上P-l个点的边界光线E(+)，根据反射定律、折射定律和光程 相等原理，确定二次透镜12上的第一段曲线外的P-l个点的坐标的方法为追踪全内反射 面1122上AF段上P-l个点的边界光线E(+)和E(—)，根据每一点的边界光线E(+)和E(—)分别 与点A的边界光线E(+)和E(—)光程相等原理，计算出TIR区菲涅尔齿112第一个齿折射面 1121的上端边界点H和二次透镜12上表面的笛卡尔椭圆外的第二段曲线CG段P-1个点的 坐标；具体实施方式
七结合图3、图4和图5说明本实施方式，图4为图3沿主透镜上 表面对角线截开的截面图。本发明的光伏聚光器在集光角为1.5° ，折射面1121与z轴夹 角为(()=1° ，材料折射率n二 1.5时，能够达到1000倍的聚光倍数，太阳能电池2的接收光 线范围为-88°至88° ，聚光器1的宽高比为0.39，利用此光伏聚光器在不同集光角度下的 光学效率参见图5，集光角小于1°时，光学效率大于90%，集光角小于1.5°时，光学效率 大于81%。
权利要求
基于非成像光学的光伏聚光器，其特征在于它由聚光器(1)和太阳能电池(2)组成，所述聚光器(1)由主透镜(11)和二次透镜(12)组成，主透镜(11)和二次透镜(12)为轴对称结构，主透镜(11)的上表面(111)为平面，主透镜(11)的下表面分为两部分，一部分为TIR区，另一部分为RR区(113)，所述RR区(113)在所述TIR区的中心，所述TIR区共有N个TIR区菲涅尔齿(112)，每个TIR区菲涅尔齿(112)由折射面(1121)和全内反射面(1122)组成，每个TIR区菲涅尔齿(112)的折射面(1121)与主透镜(11)的对称轴的夹角均为()，主透镜(11)和二次透镜(12)的材料折射率都为n，所述二次透镜(12)的轴截面的上表面由N段曲线组成，二次透镜(12)的下表面为平面，二次透镜(12)设置在主透镜(11)的正下方，并且所述二次透镜(12)与主透镜(11)同轴，太阳能电池(2)的聚光面紧贴二次透镜(12)的下表面，并且所述二次透镜(12)的对称轴穿过太阳能电池(2)的聚光面的中心；指定位于主透镜(11)最外侧的TIR区菲涅尔齿(112)为第一个齿，由外向内，依次为第二个齿、第三个齿……第N个齿，TIR区菲涅尔齿(112)的形状和二次透镜(12)的上表面的形状是由下述方法获得的二次透镜(12)的上表面在直角坐标系中x轴负向区域的第一段曲线、以及第一个齿的全内反射面(1122)和折射面(1121)在直角坐标系中x轴负向区域的曲线段的的形状是由下述方法获得的步骤一、根据公式Cg＝Ai/Ao计算聚光器(1)的几何聚光率Cg，其中Ai为主透镜(11)的上表面(111)的面积，Ao为太阳能电池(2)聚光面的面积；步骤二、根据步骤一的公式确定几何聚光率Cg和集光角a1；步骤三、以太阳能电池(2)的聚光面中心作为坐标原点，二次透镜(12)的对称轴为z轴建立直角坐标系，则太阳能电池(2)的聚光面与所述直角坐标系相交的两个边界点的坐标分别为R(r0，0)和R’(-r0，0)；然后在所建立的直角坐标系中做如下操作；首先，获得二次透镜(12)的第一段曲线BC，执行步骤四和步骤五步骤四、在x轴负向的第一个齿的全内反射面(1122)上选取边界点A，在x轴负向的二次透镜(12)的第一段曲线上选取边界点B，根据点A、点B和点R’的坐标计算获得一段二次曲线，所述二次曲线为笛卡尔椭圆；步骤五、根据由点A到点B边界光线E(-)的反射光线和由步骤四确定的一段二次曲线确定该段二次曲线的端点C，获得二次透镜(12)的第一段曲线BC，其中光线E(-)与z轴成逆时针夹角a2；其次，获得第一个齿的全内反射面(1122)曲线AF，执行步骤六和步骤七步骤六、采用P-1个点将步骤五获得的第一段曲线BC平均分成P份，依次对于每个点，根据反射定律、折射定律和光程相等原理，反向追踪边界光线E(-)，获得其在第一个齿的全内反射面(1122)上对应点的坐标，最终获得第一个齿的全内反射面(1122)上P-1个点的坐标；步骤七、将步骤六获得的第一个齿的全内反射面(1122)上P-1个点的坐标连接成非均匀有理B样条曲线AF；最后，获得第一个齿的折射面(1121)的直线段AH，执行步骤八步骤八、追踪步骤六获得的第一个齿的全内反射面(1122)上P-1个点的边界光线E(+)和E(-)，根据反射定律、折射定律和光程相等原理，计算获得第一个齿的折射面(1121)的上端边界点H，根据所述折射面(1121)与z轴之间的夹角和边界点H、A，获得所述折射面(1121)的边界线AH，其中光线E(+)与z轴成顺时针夹角a2；二次透镜12的上表面在直角坐标系中x轴负向区域的第二段曲线、以及第二个齿的全内反射面(1122)和折射面(1121)的在直角坐标系中x轴负向区域的曲线段的获得方法为步骤九、根据步骤六获得的第一个齿上的全内反射面(1122)上P-1个点的边界光线E(+)，根据反射定律、折射定律和光程相等原理，确定二次透镜(12)上的第一段曲线外的P-1个点的坐标，其中光线E(+)与z轴成顺时针夹角a2；步骤十、将步骤九获得的P-1个点的坐标，连接成非均匀有理B样条曲线CG，所述曲线CG即为二次透镜(12)的第二段曲线；步骤十一、从R’点反向追踪步骤十获得的第二段曲线CG的边界光线E(-)，确定第二个齿的最低点A1，并且所述点A1在第一个齿的最高点F的边界光线E(+)反射和折射光线的上方；步骤十二、将第二个齿视为第一个齿，重复执行步骤五至步骤八，获得第二个齿的全内反射面(1122)和折射面(1121)在直角坐标系中x轴负向区域的曲线；二次透镜(12)的上表面在直角坐标系中x轴负向区域的第i段曲线、以及第i个齿的全内反射面(1122)和折射面(1121)的在直角坐标系中x轴负向区域的曲线段的获得方法为，其中3≤i≤N步骤十三、根据第i-1个齿上的全内反射面(1122)上P-1个点的边界光线E(+)，根据反射定律、折射定律和光程相等原理，确定二次透镜(12)上的第i段曲线上的P-1个点的坐标；步骤十四、将步骤十三获得的P-1个点的坐标连接成非均匀有理B样条曲线CG，所述曲线CG即为二次透镜(12)的第i段曲线；步骤十五、从R’点反向追踪第i-1个齿确定的CG段的边界光线E(+)和E(-)，确定TIR区菲涅尔齿(112)第i个齿的最低点Ai-1，并且所述点Ai-1的位置在第i-1个齿的最高点F的边界光线E(+)反射和折射光线的上方；步骤十六、将第i个齿视为第一个齿，重复执行步骤五至步骤八，获得第i个齿的全内反射面(1122)、折射面(1121)在直角坐标系中x轴负向区域的曲线；和二次透镜(12)的上表面在直角坐标系中x轴负向区域的第i段曲线；第N个齿的折射面(1121)的曲线的末端与z轴不相交，RR区(113)表面在直角坐标系中x轴负向区域的曲线获得方法为步骤十七、从点R’反向追踪二次透镜(12)表面各点的折射光线，提取两次折射后的边界曲线E(+)，根据光程相等原理计算获得RR区(113)在直角坐标系中x轴负向区域的曲线上各点的坐标，然后将所述各点坐标连接成非均匀有理B样条曲线，直至z轴；如果二次透镜(12)的第N段曲线的末端与z轴相交，则二次透镜(12)的上表面的形状确定；如果二次透镜(12)的第N段曲线的末端与z轴不相交，则根据所述第N段曲线上的点进行样条插值，将所述第N段曲线延伸至z轴。F2009100733340C00011.tif
2. 根据权利要求l所述的基于非成像光学的光伏聚光器，其特征在于聚光器(1)的几 何聚光率Cg二Ai/A。是根据下述方法获得的主透镜(11)的上表面(111)接收光束Mi，入 射光线的集光角为A，太阳能电池(2)表面接收到的光束M。，上表面(111)接收光束Mi的 边界光线dMi是以接收面每点处与该点法线成ai角的光线，接收光束Mi经过上表面(111) 折射后的光束为Mint，^为光束Mint与z轴的最大夹角，^称为主透镜(11)的内集光角，其 计算公式为sin(a》=n sin(a2)上式中的n为聚光器(1)的主透镜(11)和二次透镜(12)的材料折射率，太阳能电池 (2)聚光器表面接收到的光束M。的边界光线dM。为主透镜(11)表面接收光束Mi的边界光 线dMi的光线经过主透镜(11)和二次透镜(12)后投射到接收面的光线，主透镜(11)上表 面的半径为ri，面积为Ai，太阳能电池(2)的半径为r。，面积为A。，则聚光器(1)的几何聚光 率为Cg:<formula>formula see original document page 4</formula>
3. 根据权利要求l所述的基于非成像光学的光伏聚光器，其特征在于聚光器(1)的几 何聚光率Cg和集光角ai的具体获得方法；根据Etendue的定义，计算三维空间Mt和M。光 束的Etendue值<formula>formula see original document page 4</formula>其中Q为体积角Q = 2 Ji sin 9 ，则 <formula>formula see original document page 4</formula>确定满足上述公式的几何聚光率cg和集光角ai。
4. 根据权利要求1所述的基于非成像光学的光伏聚光器，其特征在于获得二次透镜 (12)的第一段曲线形状具体为在x轴负向的TIR区菲涅尔齿(112)上选取边界点A，所述 点A为TIR区菲涅尔齿(112)第一个齿的最低点，点A的坐标为(xA， z》，在x轴负向的二 次透镜(12)上选取边界点B，所述点B的坐标为(xB， zB) ， TIR区菲涅尔齿(112)的个数为 N，根据点A、点B和点R'的坐标计算出二次透镜(12)的表面边界的一段二次曲线，所述二 次曲线为笛卡尔椭圆，曲线方程为公式二<formula>formula see original document page 4</formula><formula>formula see original document page 5</formula>根据边界光线E(—)光路计算出全内反射面(1122)在点A处的法线，再计算出边界光线 E(+)在点A处的反射光线，所述反射光线与公式二所描述的曲线的交点为笛卡尔椭圆的端 点C，即二次透镜(12)的第一段曲线形状的端点。
5. 根据权利要求1所述的基于非成像光学的光伏聚光器，其特征在于获得第一个齿的 全内反射面(1122)上任意一点E的坐标为在二次透镜(12)的第一段曲线BC上的P-1个 点中，依次对于每个点，根据反射定律、折射定律和光程相等原理，反向追踪边界光线E(—)， 获得其在第一个齿的全内反射面(1122)上对应点的坐标的方法为选取点N"计算点K处 笛卡尔椭圆的法线，反向追踪点R'到点K的光线rK，—N1，经过点&折射后的光线为rN1—D，rN1—D 投射到第一个齿的折射面(1121)的点为点D，由点D折射光线的边界光线E(—)确定点D在 第一个齿的全内反射面(1122)上的对应点E所在直线，根据点D的边界光线E(—)与点A的 边界光线E(—)光程相等原理，确定点E的坐标。
6. 根据权利要求l所述的基于非成像光学的光伏聚光器，其特征在于二次透镜(12)第 二段曲线CG段P-1个点的坐标具体为根据第一个齿上的全内反射面(1122)上P-l个点 的边界光线E(+)，根据反射定律、折射定律和光程相等原理，确定二次透镜(12)上的第一段 曲线外的P-1个点的坐标的方法为追踪全内反射面(1122)上AF段上P-l个点的边界光 线E(+)和E(—)，根据每一点的边界光线E(+)和E(—)分别与点A的边界光线E(+)和E(—)光程相 等原理，计算出TIR区菲涅尔齿(112)第一个齿折射面(1121)的上端边界点H和二次透镜 (12)上表面的笛卡尔椭圆外的第二段曲线CG段P-1个点的坐标。
全文摘要
基于非成像光学的光伏聚光器，它涉及一种光伏聚光器，解决了现有技术的聚光倍数较低聚光器的存在的成本高、聚光倍数低的问题，聚光倍数较高的聚光器集光角窄、高宽比太大的问题，光伏聚光器由聚光器和太阳能电池组成，所述聚光器由主透镜和二次透镜组成，主透镜的上表面为平面，主透镜的下表面分为两部分，一部分为TIR区菲涅尔齿，另一部分为RR区，TIR区菲涅尔齿的一侧为折射面，另一侧为全内反射面，折射面与z轴夹角为φ，主透镜和二次透镜的材料折射率都为n，本发明获得的聚光器，可以达到1000倍左右聚光倍数，小于0.5的高宽比，大于1°的集光角，大于80％光学效率。本发明适用于应用聚光倍数较高光伏聚光器的场合和领域。
文档编号G02B3/00GK101719524SQ20091007333
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月2日 优先权日2009年12月2日
发明者赵清亮, 陈俊云 申请人:哈尔滨工业大学