一種折射-反射-全反射(rxi)自由曲面型太陽能聚光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種折射-反射-全反射(RXI)自由曲面型太陽能聚光器，包括RXI型太陽能聚光鏡，太陽能光伏電池片，太陽光。所述的RXI型太陽能聚光鏡整體為一個旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，分上下兩個面，均為自由曲面。上表面中間部分呈下凹狀，下表面為了方便太陽能電池片安裝，底部開有一個小角度的凹槽。RXI型太陽能聚光鏡采用SMS設(shè)計方法，根據(jù)光束擴(kuò)展原理和邊緣光線原理，同時設(shè)計具有折射、反射、全內(nèi)反射功能的光學(xué)表面；設(shè)計的RXI型太陽能聚光鏡具有較大接收角度、聚光效率高且均勻高，從而提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而減少太陽能電池的使用，提升材料利用率；RXI型太陽能聚光鏡設(shè)計結(jié)構(gòu)小型化，材料選擇PMMA透明材質(zhì)價格低廉，RXI型太陽能聚光鏡可通過注塑加工成型，進(jìn)一步降低成本，可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，應(yīng)用前景廣。
【專利說明】一種折射-反射-全反射(RXI)自由曲面型太陽能聚光器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利涉及一種太陽能聚光器，具體涉及到的是折射-反射-全反射自由曲面型的太陽能聚光器。
【背景技術(shù)】
[0002]在能源問題日益突出的今天，太陽能作為一種取之不盡、用之不竭、清潔無污染的綠色能源。有效的開發(fā)利用太陽能已成為實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的重中之重，在太陽能的有效利用當(dāng)中，太陽能發(fā)電技術(shù)是近年來發(fā)展最快、最具活力的研究領(lǐng)域之一。由于太陽能存在能流密度低、間歇性以及空間分布不均勻，光電轉(zhuǎn)換率高的光伏電池成本過高等缺點，因此提高太陽能發(fā)電系統(tǒng)的效率，降低發(fā)電成本仍是目前太陽能應(yīng)用中面臨的主要問題。
[0003]太陽能聚光光伏發(fā)電技術(shù)利用光學(xué)聚光組件提高入射到太陽能電池表面的光能量密度，可以減少系統(tǒng)中昂貴太陽能電池的使用，并可大幅度提高系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)換效率，是降低發(fā)電成本提高發(fā)電效率的有效途徑。但現(xiàn)有高聚光比的聚光系統(tǒng)的可收集太陽光的角度較小，通常小于±1.5°，且接收面聚光光斑均勻性較低，聚光元件體積較為龐大，曲面加工復(fù)雜，使加工難度及成本大幅度增加。目前缺乏一種可實現(xiàn)高效、小體積、高聚光比、大接受角度(大容忍角)、高均勻度的光學(xué)聚光組件來提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而減少太陽能電池的使用，提升材料利用率，在聚光光伏領(lǐng)域取得突破性研究進(jìn)展是振興光伏產(chǎn)業(yè)、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的當(dāng)務(wù)之急。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明專利為克服現(xiàn)有聚光器聚光效率不高，均勻度低，高聚光比下可收集太陽光的角度小，體積大，成本高，工業(yè)化生產(chǎn)難等困難，提出了一種高效、結(jié)構(gòu)小型化、聚光比高、大接受角度(大容忍角)、均勻度高，同時專利中設(shè)計的聚光鏡曲面加工簡單，可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的RXI型聚光器。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
[0006]一種折射-反射-全反射(RXI)自由曲面型太陽能聚光器，包RXI型太陽能聚光鏡，太陽能光伏電池片，太陽光。其特征在于:所述的RXI型太陽能聚光鏡是由材料透過率為95%的PMMA材料形成的，并且出射面和入射面都為自由曲面的聚光鏡；所述的太陽能光伏電池片安裝在RXI型太陽能聚光鏡的接收面(AB)上，進(jìn)行光伏發(fā)電，并存儲電能；所述的太陽光的入射角度為5° ;為了方便太陽能光伏電池片底部的封裝，所述的太陽能光伏電池片的接收面朝向太陽光。
[0007]所述的RXI型太陽能聚光鏡整體為一個旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，分上下兩個面，上表面和下表面均為自由曲面。上表面中間部分呈下凹狀，下表面為了方便太陽能電池片安裝，底部開有一個小角度的凹槽；RXI型太陽能聚光鏡的口徑為8-55mm，厚度為5mm ；RXI型太陽能聚光鏡的下表面鍍有反射率為95%的反射膜，上表面中心處半徑0-96mm以內(nèi)的部分無法滿足全反射條件，同樣鍍有反射率為95%的反射膜。[0008]本發(fā)明具有的有益效果是:
[0009]本發(fā)明設(shè)計的RXI型太陽能聚光器的太陽能光伏電池片的接收面朝向太陽光，使電池底部的封裝更為簡單；RXI型太陽能聚光鏡在高倍聚光比條件下收集的太陽光的角度較大、聚光效率高且均勻性好，提高了光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而減少太陽能電池的使用，提升材料利用率；RXI型太陽能聚光鏡設(shè)計結(jié)構(gòu)小型化，材料選擇PMMA透明材質(zhì)價格低廉；RXI型太陽能聚光鏡可通過注塑加工成型，進(jìn)一步降低成本，可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，應(yīng)用前景廣。
【專利附圖】

【附圖說明】[0010]圖1是本發(fā)明RXI型太陽能聚光器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖2是本發(fā)明RXI型太陽能聚光器的工作過程示意圖。
[0012]圖3是本發(fā)明RXI型太陽能聚光鏡的上表面4的初始曲線示意圖。
[0013]圖4是本發(fā)明RXI型太陽能聚光鏡邊緣點X求解示意圖
[0014]圖5是本發(fā)明RXI型太陽能聚光鏡下表面曲線上點光路示意圖。
[0015]圖6是本發(fā)明RXI型太陽能聚光鏡確定下表面曲線點方法示意。
[0016]圖中，1:太陽光；2:RXI型太陽能聚光鏡；3:太陽能光伏電池片；4:上表面；5:下表面；6:小角度的凹槽；7:半徑0-96mm圓面；AB:接收面。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0018]如圖1所示，RXI型太陽能聚光器，包括太陽光1，RXI型太陽能聚光鏡2，太陽能光伏電池片3。所述的RXI型太陽能聚光鏡2整體為一個旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，其選用材質(zhì)為PMMA透明材質(zhì)。
[0019]如圖3、4、5所示RXI型太陽能聚光鏡2上表面4和下表面5均為自由曲面,所述的上表面4和下表面5采用SMS方法設(shè)計的。根據(jù)光束擴(kuò)展原理和邊緣光線原理，同時設(shè)計具有折射，反射，全內(nèi)反射功能的光學(xué)表面；編寫數(shù)值計算程序得出自由曲面各點的坐標(biāo)；將得到的點坐標(biāo)擬合成曲線后，繞Z軸旋轉(zhuǎn)360°即得到最終的RXI型太陽能聚光鏡模型。
[0020]如圖2所示，RXI型太陽能聚光器的工作過程為:太陽光I由RXI型太陽能聚光鏡2的上表面4入射，發(fā)生折射過程(Refrection，R)進(jìn)入聚光鏡內(nèi)部，并經(jīng)過RXI型太陽能聚光鏡2下表面5的反射(Reflecion，X)到達(dá)上表面4內(nèi)側(cè)，經(jīng)上表面4內(nèi)部反射及全反射(TIR，I)，最終到達(dá)太陽能光伏電池片3上，進(jìn)行光伏發(fā)電，并存儲電能。
[0021]下面詳細(xì)說明本設(shè)計中RXI型聚光器的設(shè)計方法:
[0022]初步選定的上表面為S1，初步計算出來的下表面為s2。
[0023](I)初步選定上表面曲線S1
[0024]由于RXI型聚光器上下表面曲線均為未知，因此需考慮選取適當(dāng)?shù)拿媲€使得入射光線在上表面經(jīng)歷一次折射。假設(shè)初步選定的上表面曲線為S1，首先選定透鏡邊緣點R及X軸上一點I，由于1-R段曲線的選定沒有特殊要求，因此假定其為直線，則根據(jù)光線可逆原則光線^沿X軸出射，并在I點發(fā)生全反射，在全反射后的光線上選定一點F = (xf,yf)。選用以F點及O點為焦點的橢圓曲線作為P-1段，而將Q-P段選定為由三次多項式定義的曲線，該曲線在P點滿足法線方向Hp及Q點垂直向上的法線nQ，如圖3所示。
[0025](a) 1-R 段計算
[0026]根據(jù)擴(kuò)展量守恒方程Ei = E0可確定RXI透鏡口徑D如下式I所示:
[0027]E1 = Sn1Dsin Θ i = 2n2dsin Θ。= E。(I)
[0028]其中，Ii1為折空氣射率，即為I ;n2 = η為透鏡材料折射率；d為接收面AB 口徑；θρ Θ。分別為透鏡接收角及接收面接收光線角度，θ。= π/2，選定透鏡邊緣點R =(D/2，yK)，選定I = (xI； O)即可確定1-R段直線方程。
[0029](b) P-1 段計算
[0030]由于P-1段橢圓曲線以F點和O點為焦點且過I點，首先確定點F坐標(biāo)。F點為光線IV在I點全反射后的出射光線上的一點，則由斯涅爾定律可得:
【權(quán)利要求】
1.一種折射-反射-全反射(RXI)自由曲面型太陽能聚光器，包RXI型太陽能聚光鏡(2)，太陽能光伏電池片(3)，太陽光(I)。其特征在于:所述的RXI型太陽能聚光鏡(2)是由材料透過率為95%的PMMA材料形成的，并且出射面和入射面都為自由曲面的聚光鏡。所述的太陽能光伏電池片⑶安裝在RXI型太陽能聚光鏡⑵的接收面(AB)上，進(jìn)行光伏發(fā)電，并存儲電能；所述的太陽光(I)的入射角度為5°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折射-反射-全反射(RXI)自由曲面型太陽能聚光器，其特征在于:所述的太陽能光伏電池片⑶的接收面朝向太陽光(I)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折射-反射-全反射(RXI)自由曲面型太陽能聚光器，其特征在于:所述的RXI型太陽能聚光鏡(2)整體為一個旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，分上下兩個面，其上表面(4)和下表面(5)均為自由曲面。上表面(4)中間部分呈下凹狀，下表面(5)為了方便太陽能電池片(3)安裝，底部開有一個小角度的凹槽(6) ;RXI型太陽能聚光鏡(2)的口徑為8.55mm，厚度為5mm ；RXI型太陽能聚光鏡(2)的下表面(5)鍍有反射率為95%的反射膜，上表面(4)中心處半徑0.96_圓面以內(nèi)的部分(7)鍍有反射率為95%的反射膜。
【文檔編號】G02B17/08GK103929126SQ201410165669
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月22日
【發(fā)明者】王雪嬌, 唐柳青, 鄭春煌, 唐瑋, 胡興, 余桂英 申請人:中國計量學(xué)院