均匀聚光菲涅尔透镜设计及性能研究近.pdf
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1、太阳能储量无限、清洁无污染、安全可靠,是未来最理想的能源。聚光光伏 发电技术具有较高的转换效率和较大的成本下降空间,成为太阳能应用中的新亮 点。聚光器是聚光光伏系统的核心组件之一,菲涅尔透镜以其透过率高、体积 小、重量轻、易加工、成本低的显著优势被广泛应用于聚光光伏系统。然而,传 统的菲涅尔透镜聚光分布均匀性很差,导致电池转换效率降低,使用寿命缩短,限制了聚光光伏系统的进一步发展。为此,本文将对菲涅尔透镜的设计方案进行 研究,通过改变透镜结构设计,改善聚光分布均匀性。本文根据几何光学原理,结合传统菲涅尔透镜的设计方法,推导出了平面型 菲涅尔透镜环带参数计算公式,分析了菲涅尔透镜聚光效率影响因素
2、,从理论上 计算获得了不同焦距设计时菲涅尔透镜的透过率变化规律。根据计算得到的环带参数,利用SolidWorks三维建模软件及Tracepro光学仿 真软件对传统菲涅尔透镜焦平面辐照度分布进行了仿真研究,针对其聚光分布不 均的问题,基于光学叠加原理,提出了三种改进的菲涅尔透镜设计方案,选取不 同参数建立了透镜模型,利用光线追迹法研究了不同透镜的聚光分布情况,对比 分析了不同设计方案的性能,从中选取性能良好的设计方案进行深入研究。对所选取的方案作进一步的改进,得到了更具实用性的设计方案,并将其作 为最终的均匀聚光菲涅尔透镜设计方法。基于该设计方法选取不同设计参数,研 究了不同几何聚光比、不同焦距
3、设计时均匀聚光菲涅尔透镜结构参数以及其聚光 性能的变化规律。关键词:聚光光伏;菲涅尔透镜;均匀聚光;离轴聚焦;光线追迹哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractSolar energy,which reserves infinite,is clean pollution-free,safe and reliable energy.It will be the most ideal energy source in the future.Concentrated Photovoltaic power generation technology with a high conversion e
4、fficiency and cost reduction space,become a new bright spot in the solar energy applications.The concentrator is one of the core components in the Concentrated Photovoltaic systems,F resnel concentrator(F resnel lens)has been widely used in the Concentrated Photovoltaic systems because of the signif
5、icant advantages such as high optical quality,small volume,light-weight as well as mass production with low cost.However,the uniformity of irradiance distribution at the focal plane is very poor for the traditional F resnel lens,which resulted in the decrease of the cell conversion efficiency and th
6、e battery life,it limits the further development of Concentrated Photovoltaic systems.As a result,the research on modified design methods of F resnel lens,which to improve the uniformity,is very important.Based on the geometrical optics principles,combined with the traditional F resnel lens design m
7、ethods,derived the formula for calculating the parameters of the planar F resnel lens,the influencing factors of the F resnel lens optical efficiency is analyzed,calculated the transmittance of the F resnel lens designed by different focal length.Using SolidWorks 3D modeling software and Tracepro op
8、tical simulation software,analyzed the irradiance distribution on the focal plane of traditional F resnel lens,focusing on the non-uniformity of the irradiance distribution,based on the light intensity superposition principle,proposed three improved design of F resnel lens,constructed series of lens
9、 model with different parameters,studied irradiance distribution of these lenses by ray tracing,comparatively analyzed the performance of different design options,selected one design with the good performance for the in-depth study.To confirm the practical applicability,the design is improved,and as
10、 a final design of the uniform concentrating F resnel lens.Based on the design,constructed a series of model by changing the focal length and geometric concentrating ratio of the uniform concentrating F resnel lens,researched the variation regularity of the structure parameters and the performance.K
11、eywords:Concentrated Photovoltaic;F resnel lens;uniform concentrating;off-axis focus;ray tracing-ii-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录摘要.IAbstract.II第1章绪论.11.1 课题背景及研究意义.11.2 菲涅尔透镜均匀聚光系统国内外研究进展.11.2.1 两级菲涅尔透镜均匀聚光系统国内外研究进展.21.2.2 单级菲涅尔透镜均匀聚光系统国内外研究进展.61.3 本文的主要研究内容.9第2章 菲涅尔透镜的基本理论.102.1 菲涅尔透镜简介.102.1.1 菲涅尔透镜光学原理.102.
12、1.2 菲涅尔透镜分类.112.2 菲涅尔透镜设计方法.122.3 菲涅尔透镜基本性能分析.142.3.1 结构损失.142.3.2 反射损失.152.3.3 非工作面损失.182.4 本章小结.20第3章传统菲涅尔透镜聚光性能及其改进方案研究.213.1 SolidWorks三维建模及Tracepro光学仿真软件简介.213.1.1 SolidWorks三维建模软件.213.1.2 Tracepro 光学仿真软件简介.223.2 太阳光谱及透镜材料仿真参数.233.3 传统菲涅尔透镜焦平面辐照度分布研究.243.3.1 菲涅尔透镜基本性能参数.243.3.2 菲涅尔透镜聚光性能仿真.263.
13、4 菲涅尔透镜设计改进方案研究.273.4.1 离轴旋转对称叠加法.273.4.2 分区多焦点叠加法.313.4.3 离轴非旋转对称叠加法.37-ill-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.4.4 三种菲涅尔透镜改进设计方案对比.403.5 本章小结.41第4章 均匀聚光菲涅尔透镜研究.424.1 改进的离轴非旋转对称叠加法.424.2 均匀聚光菲涅尔透镜结构参数研究.444.2.1 透镜环带参数变化规律研究.444.2.2 均匀聚光菲涅尔透镜理论透过率研究.474.3 均匀聚光菲涅尔透镜聚光性能研究.504.3.1 不同波长入射特性研究.504.3.2 焦深特性研究.524.3.3 接收角特性
14、研究.544.3.4 结构参数误差对透镜聚光性能的影响.584.4 透镜实际应用最佳焦距参数确定.614.5 本章小结.61结论.62参考文献.63攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果.68哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明.69致谢.70-IV-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1 课题背景及研究意义能源对人类发展至关重要,是当今国际社会政治、经济、军事和外交领域的 重要课题。传统化石能源濒临枯竭,且由于长期使用对生态环境造成了严重破 坏,对人类的生存、发展构成威胁,新能源和可再生能源的探索、开发引起人类 社会的广泛关注。太阳能是一种环境友好型的可再生能源,由于其储量无
15、限、分 布广泛,可以为人类长久使用,必将成为未来能源结构中重要组成部分。然而,由于其能量密度密度低,直接利用效率很低,因此,开发高效的太阳能聚光技术 成为必要。菲涅尔透镜能够有效提高入射太阳光能量密度,并且具有体积小、质量轻、量化生产低成本的独特优势,成为太阳能聚光器的首选,目前已广泛应用于太阳 能聚光领域,如太阳能发电12-12,太阳能制氢口叫 太阳能照明口4,,太阳能泵浦 激光器四-,光生物作用和光化学作用口9,20,金属材料表面修复PIE等。近年 来,在太阳能光伏发电领域高效太阳电池124,2川的发展进一步推动了菲涅尔透镜的 发展,采用菲涅尔透镜和高效聚光电池相结合的方式,增大了光伏产业
16、成本下降 空间,使商业化太阳能光伏发电成为可能。菲涅尔透镜作为太阳能聚光器具有众多优势,但由于其聚光分布不均,入射 太阳光经聚光之后在电池表面形成局部热点,局部热点的存在一方面会降低电池 转换效率,另一方面会损伤电池,缩短电池使用寿命WTO。聚光分布不均严重限 制了菲涅尔透镜聚光太阳能应用的发展,因此,设计一种均匀聚光的菲涅尔透镜 已经成为聚光光伏产业的重要课题之一。1.2 菲涅尔透镜均匀聚光系统国内外研究进展针对聚光分布不均的问题,众多研究人员提出了不同的解决方案,究其本质 均是通过改进聚光系统结构来提高聚光分布均匀性。根据其系统组成不同可以分 为两大类,一类是两级菲涅尔透镜均匀聚光系统,即
17、在传统菲涅尔透镜聚光系统 中增加二次聚光元件,通过二次聚光获得较为均匀的聚光分布卬;另一类是单级 菲涅尔透镜均匀聚光系统,直接改变菲涅尔透镜结构设计方法,获得新型透镜结 构,以此来改善聚光分布均匀性。-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.2.1 两级菲涅尔透镜均匀聚光系统国内外研究进展2010年,西班牙马德里理工大学的Pablo Benitez和LPI(Light Prescriptions Innovators)公司的A.Cvetkovic等人氾33设计了一种菲涅尔一科勒(F resnel-Kohler,F K)聚光系统,如图1-1所示。(a)(b)(c)图1-1F K聚光系统因,33。(
18、a)F K聚光系统示意图,(b)系统实物图,(c)二次聚光元件。F K聚光系统采用菲涅尔透镜作为主聚光元件,使用照明光学中科勒积分器 作为二次聚光元件,二者均采用非旋转对称结构设计。Pablo Benitez等人先后对 F K聚光系统的光学性能进行了仿真和实验研究,结果如图1-2所示。由于文献中 未直接给出辐照度均匀度定义,我们只能对其研究结果定性分析。从图l-2(a)、(b)显示的仿真结果来看,光谱范围0.36-0.69|Lim和0.69-0.9|Lim的入射光线经F K 系统作用之后在电池表面获得了十分均匀的辐照度分布,菲涅尔透镜产生的色散 在科勒积分器的作用下得到补偿,图l-2(c)、(
19、d)为实验测得的光斑及其三维辐照 度分布,与仿真结果基本一致。止匕外,该系统具有较高的聚光效率和跟踪误差容忍度,其研究结果显示,系 统几何聚光比为625倍时,二次聚光元件未镀膜情况下,菲涅尔透镜焦距与其对 角线之比(f/#)为0.8时,系统聚光效率超过84%,二次聚光元件表面镀增透膜 之后聚光效率超过88%,并且当f/#增大时,聚光效率进一步增大。对于f/#为1.0 时,仿真得出的系统跟踪误差容忍度为1.25。,实验测试结果为1.24。-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图1-2 F K聚光系统光学性能研究结果因,33。(a)0.36-0.69国n仿真结果,(b)0.69-0.9田11仿真 结
20、果,(c)实验测试获得的光斑,(d)实验测得的三维辐照度分布,(e)跟踪误差容忍度对比。2010年,长春理工大学茹占强和中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所宋贺 伦等人34,35对全反射式二次聚光理论进行分析,在此基础上设计加工了一种全反 射式二次聚光器,并对其聚光性能进行了仿真研究,结果如图1-3所示。(c)(d)图1-3全反射式二次聚光器设计及仿真结果叫,3丝(a)设计原理,(b)实物图,(c)未使用二 次聚光器时电池表面辐照度分布,(d)使用二次聚光器时电池表面辐照度分布。-3-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文在其研究过程中,辐照度分布均匀度定义如下四,3叫(e-E)AE=1-皿迎 xlOO
21、%(1-1)Lmax 乙山!1)式中,/max-电池表面辐照度最大值;min-电池表面辐照度最小值。其研究结果显示,未使用二次聚光器时电池表面辐照度分布均匀度仅为 0.91%,引入二次聚光器之后,聚光均匀度增加至90.24%,系统聚光分布均匀性 得到大幅提高。止匕外,他们还对基于反射原理的二次聚光理论进行了分析,设计 了一种梯形槽式匀光装置,如图1-4所示,该装置已申请发明专利PS。2010年,中科院长春光机所荆雷、刘华等人国-39设计了一种新型高效光伏聚 光系统,如图1-5所示。该系统由两部分组成,主聚光器为一个复合菲涅尔透 镜,其内侧环带基于折射原理设计,外侧环带基于全反射原理设计。二次聚
22、光器 基于折射原理设计,其底部中心区域直接与太阳电池结合在一起,采用锥形棱镜 结构,最大限度地收集入射光线,提高聚光效率。主聚光器增大外围全反射区域 的面积,使整个系统更加紧凑,其最小高宽比小于0.5,整个系统体积更小,质 量更轻。光学仿真结果显示,经该系统聚光之后电池表面辐照度峰值与平均值之 比小于3,与传统菲涅尔透镜聚光系统相比,辐照度分布均匀性有较大改善。图1-5荆雷等人设计的两级聚光装置及研究结果卬-39。(a)聚光系统示意图,(b)二次聚光器示 意图,(c)电池表面辐照度分布。-4-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2011年,中科院上海高等研究院付苓研究员和德国聚光光学公司的Ralf
23、Leutz等人畋41使用同一菲涅尔透镜作为主聚光元件,设计了万花筒、半卵形及 穹顶万花筒三种不同形状的二次聚光元件,并利用光线追迹方法对其光学性能进 行仿真研究,如图1-6所示。02 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4Incidence angle,u Incidence angle,0Kaleidoscope Half-egg Domed kaleidoscope(e)图1-6不同二次聚光器光学性能对比如,41。太阳光垂直入射时光线追迹图,(b)、(c)、(d)分别为使用万花筒、半卵形和穹顶万花筒的系统电池表面辐照度分布,(e)
24、、分别为使用三 种二次聚光器的系统光学效率和聚光分布均匀度随光线入射角变化曲线。研究过程中,聚光分布均匀度定义如下:式中,Emax-电池表面辐照度最大值;Eave-电池表面辐照度平均值。结果显示,三种二次聚光元件均能改善聚光分布均匀性,半卵形二次聚光器-5-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文体积相对较小,节省空间,但受几何形状限制较大,太阳光垂直入射情况下,系 统几何聚光比为800倍时,电池表面辐照度均匀度小于1.5,当入射角度增大 时,聚光分布均匀度迅速增大。相比之下,基于全反射原理设计的万花筒二次聚 光器优势明显,垂直入射时电池表面辐照度均匀度接近1.0,并且在较大入射角 度时仍然保持良好的辐
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