殷丹艷, 王淮生, 倪艷芬

(1.上海電力學(xué)院, 上海　200090; 2.浙江萬(wàn)事達(dá)建設(shè)工程管理有限公司, 浙江 舟山　316000)

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環(huán)面焦斑全內(nèi)反射菲涅爾透鏡設(shè)計(jì)及分析

殷丹艷1, 王淮生1, 倪艷芬2

(1.上海電力學(xué)院, 上海200090; 2.浙江萬(wàn)事達(dá)建設(shè)工程管理有限公司, 浙江 舟山316000)

摘要:為了減小由熱斑效應(yīng)帶來(lái)的損失,增加太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率,克服二次鏡帶來(lái)的菲涅爾損失,以及由大口徑和幾何聚光比帶來(lái)的焦斑不均勻的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了環(huán)面焦斑全內(nèi)反射菲涅爾透鏡.環(huán)面焦斑全內(nèi)反射菲涅爾透鏡由兩部分組成,里面是環(huán)面焦斑太陽(yáng)能透鏡,外面是二次全反射棱鏡.用Tracepro模擬和比較具有相同通光面積的普通菲涅爾透鏡和環(huán)面焦斑全內(nèi)反射菲涅爾透鏡的光照度,結(jié)果表明,環(huán)面焦斑全內(nèi)反射菲涅爾透鏡具有較高的光能利用率和均勻性.

關(guān)鍵詞：菲涅爾透鏡; 光學(xué)效率; 環(huán)面焦斑; 全內(nèi)反射透鏡

隨著人類對(duì)能源需求量的不斷增長(zhǎng),常規(guī)能源難以滿足人類社會(huì)長(zhǎng)期發(fā)展的需求,各國(guó)已著眼于開(kāi)發(fā)和利用各種新能源作為解決途徑.太陽(yáng)能是利用最廣泛的新能源之一,具有分布廣泛、儲(chǔ)量巨大等特點(diǎn).一旦將太陽(yáng)能充分有效地運(yùn)用起來(lái),將極大地緩解人類的能源危機(jī).由于太陽(yáng)能具有能流密度低,分布不均勻和有間歇性等特點(diǎn),因此提高太陽(yáng)能發(fā)電效率,降低發(fā)電成本迫在眉睫.

太陽(yáng)能聚光系統(tǒng)是大幅度提高系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)換率的有效途徑之一,聚光系統(tǒng)能夠減少太陽(yáng)能電池的使用面積、增加聚光太陽(yáng)能電池的能流密度,從而降低了發(fā)電成本.然而目前聚光光伏系統(tǒng)還存在很多問(wèn)題,如在電池表面形成的聚光輻照度不均勻,聚光系統(tǒng)接收角偏小,需要更高精度的跟蹤器等,這些問(wèn)題都將導(dǎo)致太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率降低[1].在聚光系統(tǒng)中要提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率,高性能的聚光器——菲涅爾透鏡是必不可少的.

本文設(shè)計(jì)了不使用二次鏡的高均勻性菲涅爾透鏡,即環(huán)面焦斑全內(nèi)反射菲涅爾透鏡.不使用二次鏡能夠降低聚光系統(tǒng)的成本,且降低了安裝難度,減少了線路損失.它具有高聚光比和高均勻性,高聚光比能夠降低費(fèi)用,高均勻度能夠提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率[2].

1環(huán)面焦斑全內(nèi)反射菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)方法

1.1環(huán)面焦斑全內(nèi)反射菲涅爾透鏡的原理

本文設(shè)計(jì)的環(huán)面焦斑全內(nèi)反射菲涅爾透鏡由兩部分組成,里面是環(huán)面焦斑太陽(yáng)能透鏡,外面是二次全反射棱鏡,如圖1所示.與環(huán)面焦斑菲涅爾透鏡相比,環(huán)面焦斑全內(nèi)反射菲涅爾透鏡能夠有效克服大口徑和幾何聚光比帶來(lái)的焦斑非均勻性問(wèn)題.

1.2第一環(huán)球面透鏡設(shè)計(jì)

圖2為菲涅爾透鏡中心球面的光路圖.由圖2可以看出,平行光透過(guò)中心球面,經(jīng)該中心球面透鏡折射后在菲涅爾透鏡焦平面上形成焦斑半徑x1[3].

由式(1)可知,在材料的折射率n,高度h,焦距f已知的情況下,當(dāng)x1取最小時(shí),可以得出r1的最小值.

圖2透鏡的中心球面成像光路

1.3環(huán)面焦斑透鏡設(shè)計(jì)方法

對(duì)于環(huán)面焦斑透鏡,能將入射光線在焦平面形成一個(gè)個(gè)環(huán)面焦斑,并且這些環(huán)面焦斑均勻分布.當(dāng)平行光垂直入射在透鏡一側(cè)時(shí),聚光器上x(chóng)i位置上的入射光線匯聚在焦平面上,如圖3所示[4].

注:Li—入射光與其光軸的距離;ki—棱高;Ri—內(nèi)徑;

α—入射角;β—出射角.

圖3環(huán)面焦斑菲涅爾透鏡的光路示意

由圖3可以得出如下公式:

nsinα=sinβ

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

整理后可以得到:

(9)

式中:n——透鏡的折射率;

θ——棱高度角;

r——焦斑半徑;

ω——出射面的孔徑角;

f——焦距;

i——環(huán)序列號(hào);

ΔR——環(huán)面半徑;

xi——第i環(huán)上入射光的位置;

ri——第i環(huán)透鏡光軸與聚光器光軸之間的距離;

R——聚光器口徑;

這里的α數(shù)值上等于棱高度角θ.確定θ和棱長(zhǎng),就可以確定全內(nèi)反射透鏡的側(cè)面.

1.4全反射棱鏡設(shè)計(jì)方法

全反射棱鏡是指入射光在棱上反射兩次,然后偏轉(zhuǎn)到指定的位置,其原理如圖4所示[5].

全內(nèi)反射透鏡可以沿用與環(huán)面焦斑相同的公式,但入射光必須滿足全反射的條件[5],即:nsinθ≥1.

2透鏡的聚光均勻性和光學(xué)效率

2.1聚光均勻性

由于太陽(yáng)光入射透鏡時(shí)存在色散現(xiàn)象,每環(huán)透鏡的環(huán)面焦斑寬度都不一樣,如圖3所示.其中,環(huán)內(nèi)側(cè)考慮最短波長(zhǎng)的光的折射,環(huán)外側(cè)考慮最長(zhǎng)波長(zhǎng)的光的折射,這樣就可得到每環(huán)的最大焦斑[6].

由圖3可知:

(10)

(11)

(12)

式中:S——每環(huán)的焦斑寬度;

β1,β2——最短和最長(zhǎng)波長(zhǎng)光線的出射角.

由上述公式,可以得到每環(huán)焦斑寬度S與環(huán)序列i的關(guān)系,見(jiàn)表1.

當(dāng)f為定值時(shí),環(huán)面焦斑的寬度和環(huán)序列不是呈線性關(guān)系,其斜率隨環(huán)半徑的增大而增大,由此可以推出焦斑均勻性將逐漸降低.對(duì)于環(huán)面焦斑菲涅爾透鏡,幾何聚光比是限制光斑均勻度的關(guān)鍵因素[6].

由于普通透鏡的環(huán)面焦斑內(nèi)徑不宜太大,因此在外環(huán)加上二次全內(nèi)反射透鏡.二次全內(nèi)反射透鏡與內(nèi)環(huán)透鏡一樣,可以將太陽(yáng)光聚集起來(lái),并在光伏電池板上形成一環(huán)環(huán)的焦斑.

取內(nèi)徑為80 mm,外徑為180 mm的二次全內(nèi)反射透鏡為例,焦斑寬度與環(huán)序列的關(guān)系見(jiàn)表2.

2.2光學(xué)效率

光學(xué)效率是菲涅爾透鏡的一個(gè)重要指標(biāo),即透鏡中透射光的總能量與入射到透鏡上的光能量之比.導(dǎo)致菲涅爾透鏡光學(xué)損失的原因很多,有反射損失、吸收損失、工藝性損失以及結(jié)構(gòu)損失等.在這些損失因素中,太陽(yáng)光在入射界面和出射界面上的反射損失是最重要的.不同形狀的菲涅爾透鏡,太陽(yáng)光在其入射界面和出射界面上的入射角、折射角、出射角都不一樣.其理想的菲涅爾透鏡透射率是只考慮反射損失和材料吸收損失[7].

傳統(tǒng)的菲涅爾透鏡和二次全內(nèi)反射透鏡的孔徑角ω和棱高度角θ之間的關(guān)系,可以分別表示為[8]:

(13)

(14)

其中,環(huán)面焦斑菲涅爾透鏡的入射角α=θ,出射角β=θ+ω,全反射棱鏡的入射角α=3θ-180°,出射角β=90°-ω.由于光在透鏡中傳播時(shí)會(huì)有損失,叫做菲涅爾損失,我們用光透過(guò)率來(lái)衡量這一參數(shù).菲涅爾透鏡光透率為:

(15)

則可以得到:

(16)

(17)

由式(16)和式(17)就可以得到光透過(guò)率T和初射面的孔徑角ω之間的關(guān)系.全反射棱鏡的光透過(guò)率T隨著孔徑角ω的增大而不斷增大,而環(huán)面焦斑的光透過(guò)率T隨著孔徑角ω的增大而迅速下降[4].設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)最大孔徑角ω為20°,其孔徑角ω和透過(guò)率T的關(guān)系見(jiàn)表3.

3建模和仿真

3.1新型菲涅爾透鏡的建模

根據(jù)上述公式計(jì)算出來(lái)的新型菲涅爾透鏡,確定其每一環(huán)的棱長(zhǎng),用Pro/E建立透鏡的模型,模型圖見(jiàn)圖4.

3.2仿真結(jié)果

Tracepro軟件能夠?qū)饩€進(jìn)行準(zhǔn)確有效的分析,能夠處理復(fù)雜的幾何數(shù)據(jù).將在Proe中建立的模型導(dǎo)入到Tracepro中,設(shè)置好光學(xué)材質(zhì)并定義好光源參數(shù),對(duì)其進(jìn)行光線追蹤.光源輻射照度E設(shè)置為10 000 W/m2,分別模擬相同通光面積下的普通菲涅爾透鏡和環(huán)面焦斑全內(nèi)反射菲涅爾透鏡的光照度圖,如圖5所示.

4結(jié)語(yǔ)

聚光光學(xué)系統(tǒng)作為太陽(yáng)能光伏的重要部件,提高其聚光均勻性和光學(xué)效率能夠決定其光電轉(zhuǎn)換效率.環(huán)面焦斑全內(nèi)反射透鏡是對(duì)太陽(yáng)能聚光結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化,能夠形成均勻的光斑.環(huán)面焦斑全內(nèi)反射透鏡能夠彌補(bǔ)環(huán)面焦斑透鏡當(dāng)f一定時(shí),隨著口徑的增大,能量密度逐漸降低,均勻性也隨之降低的缺點(diǎn).另外,避免了使用二次鏡,能夠節(jié)約成本.

參考文獻(xiàn)：

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(編輯白林雪)

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《上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)》編輯部

Design and Analysis of Ring-Shaped-Focus and Double Total Internal Reflection Lens Fresnel ConcentratorYIN Danyan1, WANG Huaisheng1, NI Yanfen2

(1.Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China;

2.Zhejiang MasterCard Construction Engineering Management Co.,Ltd., Zhoushan316000, China)

Abstract:In order to reduce the damage caused by the heat effect,increase the solar conversion efficiency and overcome the Fresnel losses brought by the secondary mirror,a novel hybrid Fresnel concentrator without using secondary optical element is presented which also overcomes the non-uniform illumination distribution brought by large diameter and geometric concentrating ratio.The desingned Fresnel lens consists of two parts:the inner part and the outer the former being the ring-shaped-focus Fresnel lens,while the outer part is double total internal reflection lens(DTIR).Taking a common Fresnel and a Ring-Shaped-Focus Fresnel with the same light area as an example,a conclusion can be drawn that the Ring-Shaped-Focus Fresnel has higher light utilization and illumination uniformity by Tracepro software.

Key words:Fresnel lens; optical efficiency; ring-shaped-focus; total internal reflection lens

9.作者簡(jiǎn)介要求每篇論文在投稿時(shí)必須在首頁(yè)的地腳處注明第一作者的姓名、出生年月、性別、學(xué)歷或?qū)W位、職稱、籍貫、E-mail，以及主要研究方向.

中圖分類號(hào)：TK513;TH74

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-4729(2016)01-0097-05

通訊作者簡(jiǎn)介：殷丹艷(1990-),女,在讀碩士,浙江舟山人.主要研究方向?yàn)樘?yáng)能光伏技術(shù).E-mail:xiaoyin@qq.com.

收稿日期：2015-06-11

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2016.01.021