[發(fā)明專利]一種偏振不敏感的反射式超表面聚光器

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• 申請日: 2020-08-05
• 公開（公告）號: CN111812830A
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 匡登峰;孔維超
• 申請（專利權(quán)）人: 南開大學(xué)
• 主分類號: G02B19/00
• 分類號: G02B19/00;F24S23/70
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本發(fā)明公開了一種偏振不敏感的反射式超表面聚光器。包括：超表面聚光器、接收器、液體工質(zhì)入口和出口。其中超表面聚光器的設(shè)計過程包括以下幾個步驟：1、根據(jù)設(shè)計波長選用合理的響應(yīng)單元結(jié)構(gòu)。2、利用時域有限差分的方法掃描響應(yīng)單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)，實現(xiàn)最大透過率和2π的相位覆蓋。3、計算超表面反射式聚光器每個位置上所需求的相位，映射為響應(yīng)單元結(jié)構(gòu)尺寸。4、用時域有限差分的方法計算反射式超表面聚光器的聚光比和能量利用率。反射式超表面聚光器無需額外的機(jī)械裝置跟蹤太陽光入射的角度，此外其高能量利用率、高聚光比有望突破當(dāng)前高倍聚光光熱產(chǎn)業(yè)的科學(xué)瓶頸。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微納光學(xué)和聚光光熱發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種偏振不敏感的反射式超表面聚光器。

背景技術(shù)

太陽能光熱發(fā)電是指利用大規(guī)模陣列反射鏡面對太陽光進(jìn)行聚光，通過換熱裝置收集太陽熱能，結(jié)合傳統(tǒng)蒸汽循環(huán)，推動汽輪發(fā)電的一項可再生能源發(fā)電技術(shù)。相比于光伏發(fā)電系統(tǒng)，反射式的太陽能聚光器具有高效率、造價低等的優(yōu)點。光熱發(fā)電技術(shù)主要包括碟式光熱發(fā)電、塔式光熱發(fā)電、槽式光熱發(fā)電、太陽能熱氣流發(fā)電、太陽池?zé)岚l(fā)電等形式。傳統(tǒng)的反射式聚光器依賴于反射鏡面的設(shè)計，而高效率聚光要求的拋物面或菲涅爾鏡面帶來的是加工和維護(hù)的困難。光學(xué)超表面一種由亞波長結(jié)構(gòu)構(gòu)成的二維器件，能夠?qū)崿F(xiàn)對入射光振幅、相位和偏振的任意調(diào)制。近年來，超表面已經(jīng)被研究者們應(yīng)用于全息、超透鏡和特殊光束生成器等。超表面調(diào)控自由度高、能量利用率高等的特點有望被應(yīng)用到太陽能聚光器領(lǐng)域中。平面化的超表面器件，無需額外的機(jī)械裝置跟蹤太陽光入射的角度，減小了額外能耗，有利于系統(tǒng)的集成和小型化。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種偏振不敏感的反射式超表面聚光器，有益效果是：提供了一種新型的無需追蹤系統(tǒng)、易于組裝的平面超表面聚光器。

為達(dá)到上述的目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種偏振不敏感的反射式超表面聚光器。其特征在于包括：超表面聚光器、接收器、液體工質(zhì)入口和出口。液體工質(zhì)通過入口進(jìn)入到接收器，超表面聚光器將入射的太陽管聚焦到線性接收器加熱液體，完成光熱能量轉(zhuǎn)換。

反射式超表面聚光器設(shè)計過程包括以下幾個步驟：

步驟1，選擇超表面反射式聚光器的工作波長，根據(jù)波長確定相應(yīng)的響應(yīng)單元的結(jié)構(gòu)和材料。

步驟2，利用時域有限差分的方法掃描響應(yīng)單元的參數(shù)，實現(xiàn)最高的反射率和2π的相位覆蓋。

步驟3，利用超表面反射式聚光器的相位公式計算每個位置上需求的相位，并映射為響應(yīng)單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

步驟4，用時域有限差分的方法模擬和計算反射式聚光器的聚光比和焦點位置的能量分布。

步驟1中提到的響應(yīng)單元的特征包括：響應(yīng)單元的結(jié)構(gòu)由三個部分組成：襯底材料、介質(zhì)納米柱和反射膜。其中介質(zhì)納米柱用于相位的調(diào)制，材料要求折射率高且消光系數(shù)低。反射膜的材料選擇應(yīng)當(dāng)最大化反射率。

步驟2中提到的參數(shù)掃描過程應(yīng)該在最大化反射率的條件下進(jìn)行，且參數(shù)掃描的范圍應(yīng)滿足奈奎斯特采樣定理和加工條件。

介質(zhì)納米柱主要通過波導(dǎo)效應(yīng)完成相位的突變，因此納米柱應(yīng)該足夠高，其實現(xiàn)的相位突變應(yīng)滿足：

其中，λ_d為工作波長，H(納米柱的高度)為傳播距離，n_eff為基模的有效折射率。此外納米柱太高會引入高階模式，增加設(shè)計的復(fù)雜性。

步驟3中超表面反射式聚光器的相位公式為：

其中：λ為設(shè)計波長，f為超表面反射聚光器的焦距，θ為入射角，x、y為響應(yīng)單元的位置，x₀、y₀為焦點在聚光器平面的坐標(biāo)，d為響應(yīng)單元和焦點在聚光器平面坐標(biāo)的距離。