[發明專利]基于復眼的緊湊式雙反射型光伏聚光器

有效

• 申請號: 201310410542.1
• 申請日: 2013-09-10
• 公開（公告）號: CN103441178A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 莊振鋒;余飛鴻
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01L31/052
• 分類號: H01L31/052;G02B19/00;G02B17/08
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司 33212
• 代理人: 周世駿

1.基于復眼的緊湊式雙反射型光伏聚光器，包括光伏電池和光學聚光器件，其特征在于，所述光學聚光器件的上表面是自由曲面和折射曲面，下表面是透射平面和反射平面，折射曲面中心與反射平面中心位于同一垂直位置，自由曲面中心與透射平面中心位于同一垂直位置，自由曲面設置在折射曲面的焦點位置；所述光伏電池設置在光學聚光器件的外部，并與透射平面緊靠，光伏電池在自由曲面的焦點位置，透射平面的口徑大于光伏電池的口徑；

所述光學聚光器件各面型的具體設計步驟如下：

步驟A：確定光學聚光器件的口徑：根據光學擴展量相等方程E_i＝E_o，E_i為入射到光學聚光器件的光學擴展量，E_o為從光學聚光器件出射的光學擴展量，其中n為光學聚光器件的折射率，D為光學聚光器件的口徑，θ_i表示入射光線與光學聚光器件入射界面法線之間的夾角，θ_o表示出射光線與光學聚光器件出射界面法線之間的夾角，d為光伏電池的口徑，通過已知d的值，獲得光學聚光器件口徑D的值；

步驟B：確定自由曲面的面型：在光學聚光器件上建立XOZ直角坐標系，光軸為Z軸，原點O取在光伏電池的中心位置處，F₁為光束經光學聚光器件的折射曲面折射、反射平面反射后在自由曲面上會聚的焦點，B_o為反射平面上的點；根據邊緣光線原理，為使所有的光線均勻地照射到光伏電池上，假設從光伏電池C_o，C_e1，C’_e1上出射三條光線，其中C_e1和C’_e1分別位于光伏電池的口徑兩端的兩點，令F₁、B_o點的坐標分別為(F_1x，0，F_1z)和(B_ox，0，B_oz)，則從C_o上出射光線入射到F₁的單位方向矢量以及該光線經自由曲面反射到B_o的單位方向矢量根據折射定律，入射光線的單位矢量I、出射光線的單位方向矢量O以及反射平面在點F₁的單位法矢N這三者關系應滿足：

no×O-nI×I=[no2+nI2-2×no×nI×(O·I)]1/2×N---(1)]]>

式中n_o，n_I分別為入射光線以及出射光線所在介質的折射率，n為光學聚光器件的折射率，對于入射光線和出射光線所處介質為光學聚光器件，則n_o＝n_I＝n；由式(1)可進一步簡化得到：

O-I＝[2-2×(O·I)]^1/2×N?????(2)

自由曲面在F₁點沿x軸方向上的切向單位矢量為：

Tx=[11+zx2,0,zx1+zx2]---(3)]]>

其中z_x為z關于x的一階偏導，即為F₁點的斜率，T_x為在F₁點的切向單位矢量，根據式(2)、(3)可求得經過點F₁的直線方程，從而求得反射平面上的離散點；根據反射定律亦可求得從光伏電池上C_e1，C’_e1發出的光線經過F₁點的出射光線單位方向向量O_Be1，O’_Be1；通過上述方法獲得自由曲面上的四個焦點坐標，再將這些離散的焦點數據擬合，其自由曲面擬合方程為：

z=c×x21+1-(1+k)×c×x2+A1×x+A2×x2+A3×x3+A4×x4---(4)]]>

其中，z為矢高，c為頂點曲率半徑，k為圓錐系數，x為面型上點到光軸的距離，A₁、A₂、A₃、A₄為多項式的各項系數；

步驟C：確定反射平面的面型：由于光束與z軸平行，根據光線可逆原理，假設經反射平面上B_o點的出射光線單位方向向量為O_Bo＝[0，0，1]，則同樣可以根據式(2)、(3)求得反射平面的單位法向矢量N，切向矢量，并最終求得經過B_o反射平面的直線方程；根據步驟B中的自由曲面面型設計，我們已知從電池板上C_e1和C′_e1發出的光線經過F₁點的出射光線單位方向向量O_Be1和O′_Be1，在這里分別用I_Be1和I′_Be1表示，聯立反射平面的直線方程以及入射單位方向矢量I_Be1和I′_Be1，便可求得反射平面上的邊界點B_e1和B′_e1，以及經過邊界點的反射光線單位方向矢量O_Be1，O_Be1；

步驟D：確定折射曲面的面型：假設有一束光從焦點F₁發出，該光束經反射平面反射，以及自由曲面折射后，所有的光線必將以平行于Z軸的平行光出射到平面波前W，并假設平面波前坐標為W(W_x，0，W_z)，反射平面坐標為B(B_x，0，B_z)，根據等光程原理，即Optical?Path?Length，可依次求得折射曲面上的一系列坐標點A(A_x，0，A_z)：

OPL=Σi=13nili=(Wx-Ax)2+(Wz-Az)2+n(Bx-Ax)2+(Bz-Az)2+n(Bx-Fx)2+(Bz-Fz)2---(5)]]>

式中n為光學聚光器件的折射率，n_i是為介質的折射率，l_i為光路長度，OPL為光程定值，且光程定值OPL可以由定點W₁，A₁，B₁，F₁代入式(5)求得，并且W_x＝A_x，因此式(5)只有一個未知變量；至此，該光學聚光器件的設計過程基本完成，最后通過各個折射曲面面型的數據點進行曲面擬合，即得到各個曲面的面型。