线聚焦菲涅耳聚光器次级反射镜的仿真设计

用于光伏系统新型菲涅耳线聚焦聚光透镜设计

光子学报第31卷第2期 V o l131N o12 2002年2月 A CTA PHO TON I CA S I N I CA Feb ruary2002　用于光伏系统新型菲涅耳线聚焦聚光透镜设计Ξ汪　韬　李　辉　李宝霞　赛小锋　高鸿楷(中国科学院西安光学精密机械研究所,光电子学室710068)摘　要　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1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1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°)1关键词　太阳电池;菲涅耳透镜;集光角0　引言近年来,基于太阳能、风能等可再生能源技术发展迅速1特别是基于太阳能光伏发电技术,为空间卫星供电的电源系统和地面光伏发电系统,为未来解决能源问题提供了新的广阔前景1但其面临发电价格高昂和太阳电池材料紧缺、昂贵的问题,需要进一步地降低成本和提高效率1为减少太阳电池片的实际用量,人们早已开始了太阳电池聚光器的研究1聚光系统主要为反射式1(如CPC、S M T S等)和透射式(F resnel,全息等)两种1特别是Ga InP2 GaA s Ge级联太阳电池的研制成功2,其较Si电池效率高、抗辐射、耐高温1非常适用于聚光型太阳电池1而且随光学树脂的应用发展,如聚碳酸酯、PMM A(聚甲基丙烯酸甲酯)和聚苯乙烯等,具有耐冲击强度高、相对密度小,透过率高,在太阳光谱的013～2Λm范围内透过率达92%以上,与光学玻璃相差无几1其光学性能优良,抗老化,成型工艺简单、产品成本低廉1利用光学树脂透镜和级联太阳电池合成的聚光型太阳电池极大地提高单位电池片产生的电量1大大降低了发电成本,提高了太阳能光伏发电的竞争力3,41早先点聚焦菲涅耳聚光透镜具有高的聚光率,但其必须对太阳进行二维跟踪1我们采用三维优化设计,考虑太阳能电池的热退化效应,设计具有较大集光角、只对太阳进行一维跟踪的线聚焦菲涅耳聚光透镜11　设计原理菲涅耳聚光透镜其根本目的为增加太阳电池上的太阳辐射功率的密度1由于菲涅耳非成象光学,无需考虑象的精度,在入射角范围内将能量聚焦于一定范围内,无需点聚焦51遵循折射原理(Snell定理)n1sin(i1)=n2sin(i2)当采用最小偏折角棱镜时,菲涅耳聚光透镜反射损失为最小,即为入射光线与顶面的法线的夹角等于出射光线与底面法线的夹角712　设计方法考虑因素:1)棱镜组对光的吸收随棱镜的厚度增加而变大,同时由于棱镜元的底边缘造成的通光量的损失也急剧变大,所以棱镜的厚度要尽可能的薄1单棱镜太薄将造成实际加工的困难,我们取其最大厚度为1mm12)菲涅耳聚光透镜的焦距直接影响电池组件集光角和光学聚光率的大小,同时影响电池组件的体积13)电池组件集光角的设计,集光角越大,电池组件对太阳的入射的方向不敏感,对系统瞄准太阳的能力要求低,同时它也直接影响光学聚光率的大小1对±Η截面内入射角,不同季节,每天太阳倾角的变化不同,正Ξ国家自然科学基金资助项目　收稿日期:2001206213午前后4小时夏天变化为±2°,冬天变化为±6°,太阳本身的有限长角为±015°,加上聚光器斜率误差,所以菲涅耳聚光棱镜的集光角设计值≥±615°14)折射率n 采用太阳电池吸收光谱的中心波长600nm 处折射率为114881先由0位置与接受面的相对位置设计第一棱镜元,确定其参量棱镜顶角角度Α1、棱镜倾角Β1、棱镜元宽度X 1,递进优化之1再在棱镜1基础上连接设计棱镜2,确定其参量Α2、Β2、X 2,递进优化1以此类推,得到第n 棱镜参量(Αn ,Βn ,X n )1由此得到棱镜组参量(Α1Α2…Αn ,Β1Β2…Βn ,X 1X 2…X n )1如图1,设计流程图见图21采用new ton 法逼近,至满足判据,结束该棱镜元参量的搜索1进行下一棱镜元参量的搜索1判据为 d x -d 0 <Ε,式中图1　光线在棱镜上的折射示意图F ig .1　Schem atic of rays refracti on on the F resnel lens 图2　菲涅耳线聚焦聚光棱镜的设计流程图 F ig .2　F low chart of the op ti m um line 2focu s F resnel len sd x 为入射角为Η时的光线的偏折角,d 0为光线投射到电池表面所需的偏折角,Ε为极小量1Η、Ω分别为入射角在棱镜端面和垂直端面内的投影1光学聚光率定义为E l E o ,E l 为有棱镜情况下光辐射密度,E o 为无棱镜情况下光辐射密度11光学聚光率为会聚比与光效率的积1总的光学聚光率为各棱镜元的光学聚光率的和1计算公式为c (Η,7)=6nT (Η,7,n )(A l (n ) A o (n ))T (Η,7,n )为第n 棱镜的透过率,A l (n )为第n 棱镜的出射孔径,A o (n )为第n 棱镜的入射孔径1其设计外形如图3,其光学聚光率见图41 图3　菲涅耳线聚焦聚光棱镜外形截面图 F ig .3　Schem atic of truncated the op ti m umline 2focu s F resnel lens 图4　不同Η、7菲涅耳线聚焦聚光棱镜的聚光率 F ig .4　Op tical concen trati on rati o of the op ti m umline 2focu s F resnel len s in differen t Η,73　损失分析太阳光穿过菲涅耳棱镜,在棱镜上表面和下表面分别发生反射1棱镜倾角变大时,入射角变大,反射损失变大,透射光通量与入射角和棱镜顶角有关,当入射角与出射角相等时,透射光通量为最大1另外棱镜元的边缘也造成通光量的损失1当入射角Η太大时,一部分光线将投射到棱7912期江韬等1用于光伏系统新型菲涅耳线聚焦聚光透镜设计镜的底边,只是这部分光线偏离预定方向,无法投射到太阳电池表面1所以应尽量减小棱镜元的底边宽度1即减少棱镜的厚度14　集光角特性分析如图4,在±7角平面内,其集光角达到±60°,光学聚光率对入射角的变化不敏感1在±60°之间都有较高的光学聚光率1这样在一天内不动电池组件从上午8时至下午4时都能充分利用太阳光1在±Η角平面内,其集光角达到±7°,具有较宽的集光角,大于太阳一天内南北方向的仰角变化15　焦距的影响如图5,相同的入射孔径,不同的焦距情况下的光学聚光率(7=0),大的焦距(f =360mm )有相对高的光学聚光率达21,但其集光角为±4°1当焦距变小(f =200mm )其集光角达到±8°,但其图5　不同焦距下的光学聚光率和集光角特性 F ig .5　Effect on the op tical concen trato r rati oof Ηand erro r to lerance (7=Η)光学聚光率降低为161原因是焦距变小相应其f ×Η值减小,其集光角变大1焦距变小时菲涅耳聚光棱镜边缘部分偏折角变大,其反射损失加重,光效率降低,导致整个菲涅耳聚光棱镜的光学聚光率下降1在实际应用中,菲涅耳聚光棱镜应有尽量大的集光角,但是集光角设计的变大则造成光效率的相应减小,应考虑实际应用情况作相应的调整1理论上随电池表面光通量增加短路电流呈线性增加,开路电压呈指数增长1而电池的漏电电流不变化1这样V 增加,(c ×I -I l ) (I -I l )>c ,即电流增幅大于c 倍1这样电池输出功率为原先的c 倍以上,电池效率也有所升高1光学聚光率c 不能太高,否则电池表面温度太高导致电池系列电阻变大,电池效率将有所下降1以AM 115条件下1m 2太阳电池效率19%记,输出功率P 为190W ,配备18倍菲涅耳线聚焦聚光透镜后,由于电池表面温度升高不多,电池效率损失微小6,电池输出功率可达3400W 左右1大大提高了单位电池面积的发电量,降低了太阳电池组件的成本,提高了光伏发电的竞争力16　结论设计一种用于太阳电池的菲涅耳线聚焦聚光透镜,考察了焦距对其光学聚光率的影响1理论上棱镜越细密越好,但由于实际加工有一定的精度限制,所以应根据情况取舍1据此设计透射式的菲涅耳线聚焦聚光透镜,聚光量适中C =18,太阳电池的温度不高,减缓太阳电池的热退化效应,有利于延长其使用寿命1并且其较以往(±215.)具有较大的集光角±7.,便于实际应用1无须太阳跟踪系统,只需随着不同季节太阳纬度的变化,调整太阳电池组件南北方向的倾角1参考文献1　W elfo rd W T ,W in ston R .T he op tics of non i m aging concen trato rs .N er Yo rk :A cadem ic P ress ,1978,132～1382　Yeh Y C M ,et al .A dvances in p roducti on of cascade so lar cells fo r space .26th IEEE Pho tovo ltaic SpecialistsConference ,1997:827～8303　O ′N eillM J ,et al.Inflatab le len ses fo r space pho tovo ltaic concen trato r arrays .26th IEEE Pho tovo ltaic Specialists Conference ,1997:853～8564　Spence B R ,et al .T he scarlet array fo r h igh pow er GEO satellites .26th IEEE Pho tovo ltaic Specialists Conference ,1997:1027～10305　L o renzo E ,L uque A .F resnel len s analysis fo r so lar energy app licati on s .A pp l Op t ,1982,20(17):2941～29456　Ku rtz S R ,O ′N eillM J .E sti m ating and con tro lling ch rom atic aberrati on lo sses fo r tw o 2juncti on ,tw o 2term inal devicesin refractive concen trato r system s.25th IEEE Pho tovo ltaic Specialists Conference ,1996:361～3647　K ritchm an E M ,et al .(1979b )H igh ly concen trating F resnel L en ses .A pp l Op t ,1980,18(15):2688～2695891 光子学报 30卷A NE W D ESIGN OF L INE -FOCUS FRESNEL L ENSFOR PHOT OVOL TA I C POW ER S Y STE MW ang T ao ,L i H u i ,L i B aox ia ,Sai X iaofeng ,Gao HongkaiX i′an Institu te of Op tics and P recision M echan ics ,Ch inese A cad e m y of S ciences 710068R eceived date :2001206213Abstract A n arched line 2focu s F resnel len s is designed fo llow ing the edge ray p rinci p le by op ti m um m ethod .T h is k ind of F resnel len s cou ld be u sed in so lar concen trato r of sp ace and terrestrial p ho tovo ltaic pow er system .It ′s easier to track the sun in on ly one single ax is .It has op tic concen trato r rati o as 18.It also has better accep tance angle and low co st .Keywords F resnes len s ;So lar concen trato r ;A ccep tance angleW ang Tao w as bo rn in Shaanx i ,Ch ina ,in 1974.H e received the B .S degree and M .S degree from the N o rthw est U n iversity in 1996and 1999resp ectively .A t p resen t ,he is a Ph .D degree candidate in X i ′an In stitu te of O p tics and P recisi on M echan ics ,Ch inese A cadem y of Sciences .H is p resen t in terest is p ho tron ic m aterials and devices 19912期江韬等1用于光伏系统新型菲涅耳线聚焦聚光透镜设计。

基于Tracepro的菲涅尔聚光透镜设计与仿真

10.16638/ki.1671-7988.2020.13.028基于Tracepro的菲涅尔聚光透镜设计与仿真吴贺利1，杨帆2，罗晨晖2，柯婉頔2，吴满2（1.武汉外语外事职业学院机电技术学部，湖北武汉436500；2.武汉科技大学城市学院机电工程学部，湖北武汉436500）摘要：文章通过对太阳能聚光光伏发电研究中重要的聚光器菲涅尔透镜基本设计，完成太阳光的光谱数据提取与模拟、聚光器材料性能建模，并在光学仿真软件Tracepro中进行太阳光聚光光迹模拟追踪，实现太阳光光路仿真，并完成菲涅尔聚光透镜的结构设计分析以及其聚光光斑特性分析。

关键词：菲涅尔透镜；太阳光谱；光迹追踪中图分类号：P182.3 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2020)13-90-03Design and Simulation of Fresnel lens based on TraceproWu Heli1, Yang Fan2, Luo Chenhui2, Ke Wandi2, Wu Man2（1.Department of mechanical and electrical technology, Wuhan college of foreign language & foreign affairs, Hubei Wuhan 436500; 2.Department of Mechanical and Electrical Engineering, City college of WUST, Hubei Wuhan 436500）Abstract:In this paper, based on the basic design of Fresnel lens which is important concentrator in the research of solar photovoltaic power generation, complete the spectral data simulation of sunlight and the material performance modeling of concentrator, simulation tracking of sunlight spotlight in TracePro, realize the simulation of sunlight path, finally, Complete the structural design analysis and characteristic analysis of Fresnel lens.Keywords: Fresnel lens; Solar spectrum; Light trail trackingCLC NO.: P182.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2020)13-90-03前言应用于高倍聚光光伏发电的菲涅尔聚光透镜是由法国物理学家Augustin Jean Fresnel在1822年所发明的一种透镜[1]，由多个同轴排列或平行排列的棱镜所形成的一序列不连续曲面取代了一般透镜的连续球面，因此，菲涅尔透镜结构简单，便于制造，在重量和体积上比一般透镜更轻、更薄，在设计上可以获得更大的孔径与焦距比[2]。

用于光伏系统新型菲涅耳线聚焦聚光透镜设计

光子学报第31卷第2期 V o l131N o12 2002年2月 A CTA PHO TON I CA S I N I CA Feb ruary2002　用于光伏系统新型菲涅耳线聚焦聚光透镜设计Ξ汪　韬　李　辉　李宝霞　赛小锋　高鸿楷(中国科学院西安光学精密机械研究所,光电子学室710068)摘　要　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1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1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°)1关键词　太阳电池;菲涅耳透镜;集光角0　引言近年来,基于太阳能、风能等可再生能源技术发展迅速1特别是基于太阳能光伏发电技术,为空间卫星供电的电源系统和地面光伏发电系统,为未来解决能源问题提供了新的广阔前景1但其面临发电价格高昂和太阳电池材料紧缺、昂贵的问题,需要进一步地降低成本和提高效率1为减少太阳电池片的实际用量,人们早已开始了太阳电池聚光器的研究1聚光系统主要为反射式1(如CPC、S M T S等)和透射式(F resnel,全息等)两种1特别是Ga InP2 GaA s Ge级联太阳电池的研制成功2,其较Si电池效率高、抗辐射、耐高温1非常适用于聚光型太阳电池1而且随光学树脂的应用发展,如聚碳酸酯、PMM A(聚甲基丙烯酸甲酯)和聚苯乙烯等,具有耐冲击强度高、相对密度小,透过率高,在太阳光谱的013～2Λm范围内透过率达92%以上,与光学玻璃相差无几1其光学性能优良,抗老化,成型工艺简单、产品成本低廉1利用光学树脂透镜和级联太阳电池合成的聚光型太阳电池极大地提高单位电池片产生的电量1大大降低了发电成本,提高了太阳能光伏发电的竞争力3,41早先点聚焦菲涅耳聚光透镜具有高的聚光率,但其必须对太阳进行二维跟踪1我们采用三维优化设计,考虑太阳能电池的热退化效应,设计具有较大集光角、只对太阳进行一维跟踪的线聚焦菲涅耳聚光透镜11　设计原理菲涅耳聚光透镜其根本目的为增加太阳电池上的太阳辐射功率的密度1由于菲涅耳非成象光学,无需考虑象的精度,在入射角范围内将能量聚焦于一定范围内,无需点聚焦51遵循折射原理(Snell定理)n1sin(i1)=n2sin(i2)当采用最小偏折角棱镜时,菲涅耳聚光透镜反射损失为最小,即为入射光线与顶面的法线的夹角等于出射光线与底面法线的夹角712　设计方法考虑因素:1)棱镜组对光的吸收随棱镜的厚度增加而变大,同时由于棱镜元的底边缘造成的通光量的损失也急剧变大,所以棱镜的厚度要尽可能的薄1单棱镜太薄将造成实际加工的困难,我们取其最大厚度为1mm12)菲涅耳聚光透镜的焦距直接影响电池组件集光角和光学聚光率的大小,同时影响电池组件的体积13)电池组件集光角的设计,集光角越大,电池组件对太阳的入射的方向不敏感,对系统瞄准太阳的能力要求低,同时它也直接影响光学聚光率的大小1对±Η截面内入射角,不同季节,每天太阳倾角的变化不同,正Ξ国家自然科学基金资助项目　收稿日期:2001206213午前后4小时夏天变化为±2°,冬天变化为±6°,太阳本身的有限长角为±015°,加上聚光器斜率误差,所以菲涅耳聚光棱镜的集光角设计值≥±615°14)折射率n 采用太阳电池吸收光谱的中心波长600nm 处折射率为114881先由0位置与接受面的相对位置设计第一棱镜元,确定其参量棱镜顶角角度Α1、棱镜倾角Β1、棱镜元宽度X 1,递进优化之1再在棱镜1基础上连接设计棱镜2,确定其参量Α2、Β2、X 2,递进优化1以此类推,得到第n 棱镜参量(Αn ,Βn ,X n )1由此得到棱镜组参量(Α1Α2…Αn ,Β1Β2…Βn ,X 1X 2…X n )1如图1,设计流程图见图21采用new ton 法逼近,至满足判据,结束该棱镜元参量的搜索1进行下一棱镜元参量的搜索1判据为 d x -d 0 <Ε,式中图1　光线在棱镜上的折射示意图F ig .1　Schem atic of rays refracti on on the F resnel lens 图2　菲涅耳线聚焦聚光棱镜的设计流程图 F ig .2　F low chart of the op ti m um line 2focu s F resnel len sd x 为入射角为Η时的光线的偏折角,d 0为光线投射到电池表面所需的偏折角,Ε为极小量1Η、Ω分别为入射角在棱镜端面和垂直端面内的投影1光学聚光率定义为E l E o ,E l 为有棱镜情况下光辐射密度,E o 为无棱镜情况下光辐射密度11光学聚光率为会聚比与光效率的积1总的光学聚光率为各棱镜元的光学聚光率的和1计算公式为c (Η,7)=6nT (Η,7,n )(A l (n ) A o (n ))T (Η,7,n )为第n 棱镜的透过率,A l (n )为第n 棱镜的出射孔径,A o (n )为第n 棱镜的入射孔径1其设计外形如图3,其光学聚光率见图41 图3　菲涅耳线聚焦聚光棱镜外形截面图 F ig .3　Schem atic of truncated the op ti m umline 2focu s F resnel lens 图4　不同Η、7菲涅耳线聚焦聚光棱镜的聚光率 F ig .4　Op tical concen trati on rati o of the op ti m umline 2focu s F resnel len s in differen t Η,73　损失分析太阳光穿过菲涅耳棱镜,在棱镜上表面和下表面分别发生反射1棱镜倾角变大时,入射角变大,反射损失变大,透射光通量与入射角和棱镜顶角有关,当入射角与出射角相等时,透射光通量为最大1另外棱镜元的边缘也造成通光量的损失1当入射角Η太大时,一部分光线将投射到棱7912期江韬等1用于光伏系统新型菲涅耳线聚焦聚光透镜设计镜的底边,只是这部分光线偏离预定方向,无法投射到太阳电池表面1所以应尽量减小棱镜元的底边宽度1即减少棱镜的厚度14　集光角特性分析如图4,在±7角平面内,其集光角达到±60°,光学聚光率对入射角的变化不敏感1在±60°之间都有较高的光学聚光率1这样在一天内不动电池组件从上午8时至下午4时都能充分利用太阳光1在±Η角平面内,其集光角达到±7°,具有较宽的集光角,大于太阳一天内南北方向的仰角变化15　焦距的影响如图5,相同的入射孔径,不同的焦距情况下的光学聚光率(7=0),大的焦距(f =360mm )有相对高的光学聚光率达21,但其集光角为±4°1当焦距变小(f =200mm )其集光角达到±8°,但其图5　不同焦距下的光学聚光率和集光角特性 F ig .5　Effect on the op tical concen trato r rati oof Ηand erro r to lerance (7=Η)光学聚光率降低为161原因是焦距变小相应其f ×Η值减小,其集光角变大1焦距变小时菲涅耳聚光棱镜边缘部分偏折角变大,其反射损失加重,光效率降低,导致整个菲涅耳聚光棱镜的光学聚光率下降1在实际应用中,菲涅耳聚光棱镜应有尽量大的集光角,但是集光角设计的变大则造成光效率的相应减小,应考虑实际应用情况作相应的调整1理论上随电池表面光通量增加短路电流呈线性增加,开路电压呈指数增长1而电池的漏电电流不变化1这样V 增加,(c ×I -I l ) (I -I l )>c ,即电流增幅大于c 倍1这样电池输出功率为原先的c 倍以上,电池效率也有所升高1光学聚光率c 不能太高,否则电池表面温度太高导致电池系列电阻变大,电池效率将有所下降1以AM 115条件下1m 2太阳电池效率19%记,输出功率P 为190W ,配备18倍菲涅耳线聚焦聚光透镜后,由于电池表面温度升高不多,电池效率损失微小6,电池输出功率可达3400W 左右1大大提高了单位电池面积的发电量,降低了太阳电池组件的成本,提高了光伏发电的竞争力16　结论设计一种用于太阳电池的菲涅耳线聚焦聚光透镜,考察了焦距对其光学聚光率的影响1理论上棱镜越细密越好,但由于实际加工有一定的精度限制,所以应根据情况取舍1据此设计透射式的菲涅耳线聚焦聚光透镜,聚光量适中C =18,太阳电池的温度不高,减缓太阳电池的热退化效应,有利于延长其使用寿命1并且其较以往(±215.)具有较大的集光角±7.,便于实际应用1无须太阳跟踪系统,只需随着不同季节太阳纬度的变化,调整太阳电池组件南北方向的倾角1参考文献1　W elfo rd W T ,W in ston R .T he op tics of non i m aging concen trato rs .N er Yo rk :A cadem ic P ress ,1978,132～1382　Yeh Y C M ,et al .A dvances in p roducti on of cascade so lar cells fo r space .26th IEEE Pho tovo ltaic SpecialistsConference ,1997:827～8303　O ′N eillM J ,et al.Inflatab le len ses fo r space pho tovo ltaic concen trato r arrays .26th IEEE Pho tovo ltaic Specialists Conference ,1997:853～8564　Spence B R ,et al .T he scarlet array fo r h igh pow er GEO satellites .26th IEEE Pho tovo ltaic Specialists Conference ,1997:1027～10305　L o renzo E ,L uque A .F resnel len s analysis fo r so lar energy app licati on s .A pp l Op t ,1982,20(17):2941～29456　Ku rtz S R ,O ′N eillM J .E sti m ating and con tro lling ch rom atic aberrati on lo sses fo r tw o 2juncti on ,tw o 2term inal devicesin refractive concen trato r system s.25th IEEE Pho tovo ltaic Specialists Conference ,1996:361～3647　K ritchm an E M ,et al .(1979b )H igh ly concen trating F resnel L en ses .A pp l Op t ,1980,18(15):2688～2695891 光子学报 30卷A NE W D ESIGN OF L INE -FOCUS FRESNEL L ENSFOR PHOT OVOL TA I C POW ER S Y STE MW ang T ao ,L i H u i ,L i B aox ia ,Sai X iaofeng ,Gao HongkaiX i′an Institu te of Op tics and P recision M echan ics ,Ch inese A cad e m y of S ciences 710068R eceived date :2001206213Abstract A n arched line 2focu s F resnel len s is designed fo llow ing the edge ray p rinci p le by op ti m um m ethod .T h is k ind of F resnel len s cou ld be u sed in so lar concen trato r of sp ace and terrestrial p ho tovo ltaic pow er system .It ′s easier to track the sun in on ly one single ax is .It has op tic concen trato r rati o as 18.It also has better accep tance angle and low co st .Keywords F resnes len s ;So lar concen trato r ;A ccep tance angleW ang Tao w as bo rn in Shaanx i ,Ch ina ,in 1974.H e received the B .S degree and M .S degree from the N o rthw est U n iversity in 1996and 1999resp ectively .A t p resen t ,he is a Ph .D degree candidate in X i ′an In stitu te of O p tics and P recisi on M echan ics ,Ch inese A cadem y of Sciences .H is p resen t in terest is p ho tron ic m aterials and devices 19912期江韬等1用于光伏系统新型菲涅耳线聚焦聚光透镜设计。

菲涅尔聚光透镜的一般设计方法及效率分析

镜元的入射光偏向角 ; f 和 f ′分别为 F 和 F′到光轴 O′点的距离 ; R 为 Fresnel 透镜的圆弧曲率半径 ; r 为球
冠的外廓半径。根据图 2 所示几何关系有 θi =θγ +θν = α′i +βi , 其中 θi 为第 i 楞尖劈透镜元的顶角 ,θγ =
W′i ,则
αi = ui + W′i
收稿日期 :2009210217. 基金项目 :国家高技术研究发展计划 (2007AA05Z444) . 作者简介 :李鹏 (19682) ,男 ,博士 ,副教授. E2mail :lpwhut @live. whut . edu. cn
第 32 卷第 6 期李鹏 ,吴贺利 ,杨培环 ,等 :菲涅尔聚光透镜的一般设计方法及效率分析 63
导致部分光线发散引起的光学损失 ,例如 ,对于平面朝外的 Fresnel 透镜 ,由于楞高会遮挡部分折射光线 ,使
得从第二楞开始就出现部分透射光发散 ;对于平面朝内的 Fresnel 透镜 ,当 F 数小于某临界值时 ,出射界面上
入射角大于其全反射角 ,使透射光不能到达设定的焦斑范围内而损失 ,如图 3 (a) 所示。反射损失和结构损
Abstract : A general design formula for t he Fresnel lens is obtained t hrough a simple deduction which is initially based on an
optical model for t he design of t he Fresnel lens wit h a curved base. A met hod to calculate optical efficiency of t he Fresnel lens is brought forward and t he comparisons are made between different shapes Fresnel lens which are commonly used now. The quali2 tative evaluation of t heir adaptability , t he advantages and t he disadvantages has finally been done in t his paper.

线性菲涅尔聚光系统镜场的优化研究

线性菲涅尔聚光系统镜场的优化研究线性菲涅尔聚光系统是一种利用菲涅尔透镜的设计的聚光系统，具有广泛的应用。

本文将对线性菲涅尔聚光系统的镜场进行优化研究，以提高其光学性能和实用价值。

首先，我们从理论入手，对线性菲涅尔聚光系统的工作原理进行分析。

线性菲涅尔透镜是一种具有等厚环状构造的透镜，可将入射光线集中到一点上，实现聚光效果。

透镜的环状结构可以通过改变环的宽度和曲率半径来实现，因此，我们可以通过优化透镜的设计参数来提高聚光效果。

其次，针对线性菲涅尔聚光系统的镜场设计，我们提出了以下几个方面的优化方法。

首先，我们可以通过优化透镜的曲率半径来改善系统的光学性能。

曲率半径较小的透镜能够提供更大的聚光度，但也会带来更强的球状像差。

因此，我们需要在光学性能与实际应用需求之间进行权衡，选择合适的曲率半径。

其次，我们可以通过优化透镜的环宽来改善系统的聚光度。

透镜的环宽与聚光度成反比，即环宽越小，聚光度越大。

但是，环宽过小则会导致光的衍射效应增大，降低了聚光系统的光学性能。

因此，我们需要找到合适的环宽范围，以实现光学性能与实际应用需求的平衡。

此外，我们还可以通过镜场形状的优化来改善系统的聚光效果。

线性菲涅尔聚光系统的镜面形状可以通过调整透镜上的环形结构来实现。

在优化设计过程中，我们可以采用仿真软件模拟不同镜面形状对聚光效果的影响，从而找到最佳的镜场形状。

最后，我们可以通过材料选择来进一步优化线性菲涅尔聚光系统的性能。

透镜材料的折射率和透过波长范围都会对系统的聚光效果产生影响。

因此，我们可以选择合适的材料，以实现最佳的聚光效果。

综上所述，通过对线性菲涅尔聚光系统镜场的优化研究，我们可以提高系统的光学性能和实用价值。

优化透镜的曲率半径、环宽和材料选择，以及优化镜场形状，都可以有效改善系统的聚光效果。

这将有助于线性菲涅尔聚光系统在太阳能发电、激光加工和光通信等领域的应用。

未来的研究还可以进一步探索如何在实际制造过程中实现优化设计的透镜参数和镜场形状，以便将其应用于工业生产中通过优化线性菲涅尔聚光系统的镜场形状、透镜的曲率半径、环宽和材料选择，可以有效改善系统的聚光效果。

基于SolTrace的线性菲涅尔式聚光器建模与仿真

基于SolTrace的线性菲涅尔式聚光器建模与仿真马军;王成龙;夏养君【摘要】利用几何光学原理推导了线性菲涅尔式聚光器在SolTrace软件中建模所需参数的计算公式,给出了建模方法.结果表明,对于反射镜列数为21列、宽度为0.38m、长度为4 m,复合抛物面聚光器(CPC)最大接受半角为45°,接收器距反射镜所在平面5.3m的线性菲涅式聚光器,随着太阳入射角的增大,集热管表面能流密度逐渐增大且分布更均匀;当太阳入射角大于40°后,能流密度和均匀度趋于稳定;CPC 为渐开线+cusp reflector曲线比渐开线+抛物线的集热管表面能流密度更大且分布更均匀.该结果对线性菲涅尔式聚光器的推广应用具有指导意义.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2019(040)004【总页数】5页(P676-680)【关键词】线性菲涅尔式聚光器;SolTrace软件;建模与仿真;能流密度;均匀度【作者】马军;王成龙;夏养君【作者单位】兰州交通大学国家绿色镀膜技术与装备工程技术研究中心,甘肃兰州730070;兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室,甘肃兰州730070;兰州交通大学国家绿色镀膜技术与装备工程技术研究中心,甘肃兰州730070;兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室,甘肃兰州730070【正文语种】中文【中图分类】TN29;TM615引言太阳能作为一种理想的可再生能源已备受关注，但是能流密度低，提高利用效率的关键是先聚光再利用[1]。

根据聚光形式，太阳能聚光系统主要有槽式、线性菲涅尔式、塔式和碟式等[2-5]。

线性菲涅尔式聚光器主要由反射镜场、接收器、太阳跟踪控制装置三部分构成，具有结构简单、风阻小、成本低、土地利用率高等优点，正逐渐在大规模电站中得到应用[6-8]。

Sharma V等[9]推导出了线性菲涅尔式聚光器在任意时刻的余弦效率、末端损失效率和阴影与遮挡效率的表达式。

线性菲涅尔聚光系统一次镜场的优化研究

线性菲涅尔聚光系统一次镜场的优化研究线性菲涅尔聚光系统一次镜场的优化研究摘要：随着太阳能光伏技术的快速发展，聚光系统逐渐成为提高太阳能光伏发电效率的关键。

线性菲涅尔聚光系统是一种常见的聚光系统类型，其光学元件——菲涅尔透镜能够将光线聚焦到光伏电池上。

然而，由于透镜制造的误差等原因，线性菲涅尔聚光系统在实际应用中存在一些问题，如光线聚焦不均匀、聚光效率低等。

本研究旨在通过优化线性菲涅尔聚光系统的一次镜场，提高聚光系统的整体性能。

第一章引言1.1 研究背景太阳能作为一种绿色、可再生的能源，受到了越来越多的重视。

光伏发电作为太阳能的主要利用方式之一，具有广阔的应用前景。

然而，传统的光伏发电技术存在能量转化效率低、成本高等问题。

聚光系统是一种有效的解决方案，通过将光线聚焦到光伏电池上，可以提高电池的接收光线能力，从而提高发电效率。

1.2 研究目的本研究旨在优化线性菲涅尔聚光系统的一次镜场，以提高系统的整体性能。

具体目标如下：（1）研究线性菲涅尔透镜的光学特性，分析其对光线的聚焦效果；（2）建立线性菲涅尔聚光系统的光学模型，分析系统的聚光效率；（3）优化一次镜场，改善系统的聚光效果；（4）基于优化结果，设计并制造新型一次镜场。

第二章理论基础2.1 线性菲涅尔透镜原理线性菲涅尔透镜是一种由许多个小菲涅尔透镜组成的大透镜，其主要原理是通过透镜的表面微结构来将光线进行折射从而实现光线的聚焦。

透镜的数学模型可以描述为菲涅尔透镜方程：Nλ/2 = nx^2 + ny^2其中N是透镜的表面结构数，λ是入射光波长，nx和ny是x和y方向的光线角度。

2.2 聚光系统模型聚光系统的光学模型可以简化为一次镜场和二次镜场两个过程。

一次镜场主要是将太阳光线聚焦到一个尺寸较小的区域，通过透镜的C值（聚光系数）来描述聚光效果。

C值越高，聚光效果越好。

第三章优化方法3.1 设计变量的选择优化一次镜场需要选择合适的设计变量。

常见的设计变量包括透镜的表面凸度、透镜材料的折射率等。

线性菲涅尔式太阳能聚光系统的优化设计及性能研究

线性菲涅尔式太阳能聚光系统的优化设计及性能研究线性菲涅尔式太阳能聚光系统的优化设计及性能研究摘要：随着能源紧缺问题的愈发突出，太阳能作为一种清洁可再生的能源源源不断地成为研究的焦点。

本文以线性菲涅尔式太阳能聚光系统为研究对象，通过对系统结构和光学性能的优化设计，探究了其在太阳能利用中的应用潜力和提升空间。

通过模拟与实验，结果表明，优化设计后的线性菲涅尔式太阳能聚光系统具有较高的光学效率和集光能力，可有效提高太阳能利用效率，为实际应用提供了一定的参考价值。

一、引言太阳能作为一种清洁可再生的能源，具有广阔的应用前景。

然而，由于太阳能光照强度低，需要进行集光才能够达到高效利用的目的。

而菲涅尔透镜作为一种常用的太阳能聚光材料，能够将太阳的光线聚焦到一点或一线上，从而提高太阳能利用效率。

线性菲涅尔式太阳能聚光系统是目前较常用的一种聚光系统，其具有结构简单、成本低廉等优点，对于太阳能发电和热能利用有着重要的意义。

二、线性菲涅尔式太阳能聚光系统的结构与工作原理线性菲涅尔式太阳能聚光系统由透镜、反光镜、支架和光电转换器等部分组成。

透镜的主要作用是将太阳光线迅速折射、聚焦，通过反光镜将光线集中到光电转换器上，从而将太阳能转化为电能或热能。

三、优化设计方法1. 透镜曲面的优化设计透镜的曲面设计是线性菲涅尔式太阳能聚光系统中的关键部分。

通过数值模拟分析和光线追踪方法，可以确定透镜曲面的形状和参数，以期获得较高的光学效率和集光能力。

2. 反光镜的优化设计在线性菲涅尔式太阳能聚光系统中，反光镜起到了反射和聚光作用。

通过对反光镜形状的优化设计和金属涂层的选择，可以提高反射效率和光束质量，从而提高整个系统的性能。

3. 光电转换器的选择和设计光电转换器是将集光后的太阳能转化为电能或热能的关键元件。

根据具体需求，合理选择光电转换器的类型和参数，能够有效提高系统的能量转换效率。

四、性能研究与分析通过对优化设计后的线性菲涅尔式太阳能聚光系统的性能测试和分析，可以得出以下结论：1. 线性菲涅尔式太阳能聚光系统具有较高的光学效率和集光能力，集光效果明显优于非聚光系统。

线性菲涅尔式聚光器二次反射镜优化与研究

线性菲涅尔式聚光器二次反射镜优化与研究线性菲涅尔式聚光器二次反射镜优化与研究摘要：线性菲涅尔式聚光器（LFSC）由于其较高的光聚焦效率和紧凑的结构，被广泛应用于太阳能光伏发电、激光器、照明等领域。

然而，由于二次反射镜的存在，LFSC的光聚焦效率和光学性能受到限制。

本文通过优化和研究LFSC的二次反射镜，提出了一种新的改进方法，提高了LFSC的光聚焦效率和光学性能。

一、引言线性菲涅尔式聚光器是一种借助菲涅尔透镜原理实现光聚焦的装置。

其主要结构包括一次反射镜和二次反射镜，其中二次反射镜的设计和性能对LFSC的光聚焦效率和光学性能起着关键作用。

然而，目前关于LFSC二次反射镜的研究仍然较少。

二、LFSC的光聚焦效率与二次反射镜的关系LFSC的光聚焦效率可以通过聚焦光强度和光损耗率来衡量。

而光聚焦效率的提升与二次反射镜的结构和性能密切相关。

1. 二次反射镜的曲率优化通过优化二次反射镜的曲率，可以改变光线的聚焦效果。

常见的优化方法包括平面二次反射镜和球面二次反射镜。

平面二次反射镜具有匀强光斑和简单结构的优点，适用于大范围的光聚焦。

球面二次反射镜则具有更高的聚焦效果，适用于对光束形状要求较高的应用。

2. 反射镜的材质选择反射镜的材质也会对LFSC的光聚焦效率产生影响。

选用高反射率和低吸收率的材料，可以减少光能的损耗，提高光聚焦效率。

常见的反射材料有金属镀膜、镀膜玻璃等。

三、LFSC二次反射镜的优化方法为了提高LFSC的光聚焦效率和光学性能，本文提出了以下三种改进方法：1. 优化二次反射镜的设计通过使用光学模拟软件对二次反射镜的设计进行优化，可以得到最佳的曲率半径和反射材料。

2. 换向二次反射镜传统的线性菲涅尔式聚光器的二次反射镜都是固定的，无法调整。

本研究提出了一种可调整的换向二次反射镜，可以根据需要改变二次反射镜的角度和位置，从而优化光线的聚焦效果。

3. 使用非球面二次反射镜通过采用非球面二次反射镜，可以更好地控制光线的聚焦效果。

菲涅尔定向传光装置仿真及其光学特性分析

第52卷第1期2021年1月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.52No.1Jan.2021菲涅尔定向传光装置仿真及其光学特性分析陈木生1，黄金1,2，陈泽雄1，盘雪纯1，胡艳鑫1(1.广东工业大学材料与能源学院，广东广州，510006；2.肇庆学院机械与汽车工程学院，广东肇庆，526061)摘要：提出一种以聚光镜场模块化和地面集中集热为特征的塔式太阳能集热系统即菲涅尔中央接收式太阳能中高温集热系统。

建立该系统聚光模块菲涅尔定向传光装置的数值模型，利用光学软件TracePro 进行光线追迹仿真，研究不同变量对菲涅尔定向传光装置光学特性的影响，分析在跟踪太阳过程中装置光学效率的变化规律。

研究结果表明：抛物反射面焦准距p 越大，定向传光器反射光线越接近准直光线，但接收表面焦斑面积越大；提高几何聚光比C 或传光距离L 有利于提高接收表面能流密度分布均匀度，但会导致光学效率的降低；当p =150mm ，C =1且L =1m 时，位于中央集热器正北侧的菲涅尔定向传光装置的光学效率在真太阳时9:00—15:00之间变化不大，日平均光学效率为80%~83%。

关键词：太阳能；菲涅尔透镜；抛物反射面；定向传光；数值模拟中图分类号：TK519文献标志码：A开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2021）01-0176-13Simulation and optical characteristics analysis of orientated lighttransmitting Fresnel concentratorCHEN Musheng 1,HUANG Jin 1,2,CHEN Zexiong 1,PAN Xuechun 1,HU Yanxin 1(1.School of Materials and Energy,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China;2.College of Mechanical and Automotive Engineering,Zhaoqing University,Zhaoqing 526061,China)Abstract:A solar power tower system,i.e.,the medium-high temperature solar collector system composed of the Fresnel concentrators and center receiver,was proposed,which was characterized by the concentrator field adopted modular design and the center receiver placed on the ground.A numerical model of the the orientated light transmitting Fresnel concentrator which was the module of the concentrator field was developed and simulated by ray tracing with optical design software TracePro.The effects of different variables on the optical characteristics were studied.Then the sun was tracked in order to obtain the change rule of the optical efficiency.The resultsDOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2021.01.018收稿日期：2020−08−03；修回日期：2020−09−12基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51876044；51803036)；广东自然科学基金资助项目(2018A030310515)(Projects(51876044,51803036)supported by the National Natural Science Foundation of China;Project(2018A030310515)supported by the Natural Science Foundation of Guangdong Province)通信作者：胡艳鑫，博士，讲师，从事强化沸腾传热研究；E-mail ：********************.cn引用格式：陈木生,黄金,陈泽雄,等.菲涅尔定向传光装置仿真及其光学特性分析[J].中南大学学报(自然科学版),2021,52(1):176−188.Citation:CHEN Musheng,HUANG Jin,CHEN Zexiong,et al.Simulation and optical characteristics analysis of orientated light transmitting Fresnel concentrator[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2021,52(1):176−188.第1期陈木生，等：菲涅尔定向传光装置仿真及其光学特性分析show that the increase of the paraboloid semi-focal chord p is favorable to make reflect light beam of the orientated deflector closer to collimated light beam,but adverse to reduce the area of focal spot on the receiver surface.The higher geometric concentrating ratio C or transmission distance L leads to the higher uniformity factor of the flux density distribution,but it causes the drop of optical efficiency.As the p,C and L are150mm,1and 1m,respectively,there is no significant change of the optical efficiency of the orientated light transmitting Fresnel concentrator located on the north side of the center receiver from solar time09:00to15:00,while the daily average optical efficiency is between80%and83%.Key words:solar energy;Fresnel lens;parabolic reflector;orientated light transmitting;numerical simulation在传统的塔式太阳能集热系统中，集热器位于中央接收高塔塔顶，而塔高一般为100~500m[1]。

菲涅尔反射聚光灶面设计

菲涅尔反射聚光灶面设计
李路
【期刊名称】《太阳能》
【年(卷),期】1990(000)002
【总页数】2页(P8-9)
【作者】李路
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TK513
【相关文献】
1.复合抛物面聚光器在线性菲涅尔聚光上的应用 [J], 刘元元;陈洪晶;熊勇刚;崔正军;赵金龙
2.线聚焦菲涅耳聚光器次级反射镜的仿真设计 [J], 邓爱平;熊福
3.基于菲涅尔聚光器的混合均匀聚光系统 [J], 黄俊超;李鹏;李帅;王沛
4.用于线性菲涅尔式聚光系统的复合抛物面聚光器 [J], 马军; 王成龙; 夏养君
5.基于Tracepro的菲涅尔聚光透镜设计与仿真 [J], 吴贺利;杨帆;罗晨晖;柯婉頔;吴满
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