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用于聚光光伏系统二级聚光镜的设计及实验研究

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2022咨询工程师继续教育满分电力(含火电、水电、核电、新能源)——新能源专业-太阳能试卷

2022咨询工程师继续教育满分电力(含火电、水电、核电、新能源)——新能源专业-太阳能试卷

一、单选题【本题型共10道题】1.自2008年以来，全球光热发电发展开始提速。

已建成的太阳能热发电站以槽式电站为主，所占比例接近（）。

A．40%B．50%C．70%D．90%正确答案：[D]2.我国太阳能资源年太阳辐射总量5850-6680MJ/m2，相当于日辐射量4.5～5.1KWh/㎡的地区，属于（）类地区。

A．IB．IIC．IIID．IV正确答案：[B]3.光伏电站中场内集电线路敷设方式通常情况下采用（）。

A．直埋B．架空C．电缆沟D．暗敷梁内正确答案：[C]4.我国未来光伏发电发展的重心是（）。

A．独立光伏发电B．并网光伏发电C．分布式光伏发电D．大型光伏电站正确答案：[C]5.光伏发电站发电母线电压应根据接入电网的要求和光伏发电站的安装容量，经技术经济比较后确定，光伏发电站安装总容量大于1MWp，且不大于30MWp时，宜采用（）电压等级。

A．0.4kV-10kVB．10kV-35kVC．35kV正确答案：[B]6.我国太阳能总辐射资源丰富，总体呈（）的分布特点。

A．高原大于平原.东部大于西部B．高原大于平原.西部大于东部C．南部大于北部.东部大于西部D．南部大于西部.东部大于北部正确答案：[B]7.光伏发电聚光光伏系统中，线聚焦聚光宜采用（）跟踪系统。

A．单轴B．双轴C．主动控制方式D．被动控制方式正确答案：[A]8.以下哪些不是太阳能光热发电的主流技术（）。

A．槽式发电技术B．塔式发电技术C．晶硅发电技术D．碟式发电技术正确答案：[C]9.太阳辐射量较低.散射分量较大.环境温度较高的地区宜选用（）。

A．单晶硅光伏组件B．多晶硅光伏组件C．薄膜光伏组件D．聚光光伏组件正确答案：[C]10.2013年（）建成世界上最大的槽式电站。

A．中国B．美国D．印度正确答案：[B]二、多选题【本题型共15道题】1.碟式太阳能热发电系统主要由以下哪几部分组成？（）A．碟式聚光镜B．接收器C．光伏方阵D．斯特林发动机E．发电机正确答案：[ABDE]2.太阳能塔式发电是应用的塔式系统。

聚光镜球差校正透射电镜工作原理

聚光镜球差校正透射电镜工作原理

聚光镜球差校正透射电镜工作原理一、引言随着科学技术的不断发展，电子显微镜作为一种高分辨率、高清晰度的显微观测工具，已经成为生物学、物理学、材料科学等领域中不可或缺的仪器设备。

透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope, TEM）作为一种重要的电子显微镜类型，通过透射电子束穿透样品，利用透射电子和样品相互作用的信号来获得高分辨率的显微图像。

透射电子显微镜在成像过程中会受到球差的影响，为了克服这一问题，科学家们设计了聚光镜球差校正系统，今天我们将探讨聚光镜球差校正透射电子显微镜的工作原理。

二、透射电子显微镜基本构造透射电子显微镜包括电子源、透镜系统（包括目镜、物镜等）、样品台和显微镜底座等组成。

透射电子显微镜的基本工作原理是利用电子枪产生的高能量电子，经过透镜系统的聚光和透射之后，穿透样品并与样品中的原子或分子相互作用，最后形成高分辨率的显微图像。

三、透射电子显微镜的球差问题由于透射电子与光线不同，光学元件的球差问题会更加显著。

球差是透镜在成像过程中不同位置的像差，主要表现为不同位置的成像焦距不同，导致成像不清晰。

透射电子显微镜的球差问题是其高分辨率成像的主要障碍，因此科学家们一直致力于寻找有效的球差校正方案。

四、聚光镜球差校正原理聚光镜球差校正系统是一种通过引入特殊设计的聚光镜来校正透射电子显微镜球差的系统。

聚光镜球差校正系统的工作原理主要包括以下几个方面：1. 聚光镜结构设计：聚光镜球差校正系统采用了特殊的设计结构，通过调整聚光镜特定部分的几何形状和位置，来改变聚光镜的球差特性。

这种设计可以有效地降低透射电子显微镜的球差问题。

2. 聚光镜的电子光学性质：聚光镜球差校正系统需要保证聚光镜能够正确地聚焦和控制电子束的走向，以保证样品上的电子束能够形成清晰的高分辨率成像。

3. 球差校正算法：聚光镜球差校正系统还需要配套的球差校正算法，用于模拟和计算聚光镜对透射电子的影响，进而实现球差的校正和调整。

聚光器设计中的光电性能研究

聚光器设计中的光电性能研究

聚光器设计中的光电性能研究一、引言聚光器作为一种光学器件，其主要功能是将光线聚焦到一个比较小的区域，从而提高光线的亮度和聚光程度。

聚光器的设计与制造对于光电领域的研究和应用具有重要的意义。

本文将从光电性能研究的角度探讨聚光器设计中的关键技术及其应用。

二、聚光器的基本原理聚光器的基本原理是利用透镜的凸面将光线聚焦于一点。

由于光线汇聚后亮度增强，同时焦距与透镜曲率半径有关，因此通过对聚光器凸透镜表面进行设计和制造可以调整聚光器的聚焦效果和透光率。

三、聚光器的设计方法聚光器的设计需要考虑几个方面的问题，如聚光器形状、凸透镜曲率半径、光源位置以及聚光距离等。

其中，形状和凸透镜曲率半径对聚光器焦距的大小以及光线聚焦带宽的调节有重要的影响。

另外，聚光器设计还需要考虑材料的选择和制造工艺的优化。

例如，玻璃材料具有良好的透光性，但制造过程中容易出现气泡、晶界等问题，会影响聚光器的光学性能。

四、聚光器的光电性能研究方法聚光器的光电性能主要包括透光率、成像质量、反射率等指标。

其中透光率是指聚光器材料对光线透过的比例，成像质量是指聚光器能否清晰地成像，反射率是指聚光器材料对光线的反射能力。

测量这些光学参数可以通过一些专业的实验方法来实现。

例如，通过光散射实验可以测量样品透光率，通过显微镜观测可以评估成像质量，通过反射光谱分析可以计算反射率。

五、聚光器的应用聚光器在光电领域中的应用非常广泛。

例如，我们在日常生活中使用的车灯、手电筒、激光器等都使用了聚光器技术。

此外，聚光器还被应用于太阳能光电池中，通过优化聚光器设计和材料，可以提高太阳能电池的效率。

聚光器还可以应用于医学领域，如利用聚光器技术制造微型显微镜、高速摄像机等器件，为医学会诊和手术提供更加精细的成像和记录。

六、结论聚光器的设计和制造对于光电领域的研究和应用具有重要的意义。

通过对聚光器形状、凸透镜曲率半径、光源位置等关键技术的优化，可以提高聚光器的光电性能。

聚光器在汽车、医疗、激光器等领域的应用广泛，未来随着科学技术的进步，其应用领域将更加广阔。

多曲面槽式聚光光伏发电组件光学性能研究

多曲面槽式聚光光伏发电组件光学性能研究

多曲面槽式聚光光伏发电组件光学性能研究侯静;常泽辉;温雯;郑宏飞;江钒【摘要】根据多曲面槽式聚光器的聚光性能,提出一种新的应用于光伏发电系统的聚光器结构设计方法,建立详细完整的三维模型,采用光学追迹、几何光学分析等方法对模型中的光学性能进行仿真计算研究.通过追迹模拟,直观地再现了聚焦光线的分布、焦斑宽度,并对其几何光学效率、聚焦中心偏移量随入射偏角的变化关系进行了计算和分析.结果表明,当入射偏角不大于2.8.时,此聚光系统的几何光学效率为99.81％,聚焦中心偏移量随入射偏角呈线性变化.所建立的模型可为聚光光伏发电系统的光学效率研究提供参考.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2014(038)006【总页数】4页(P1081-1084)【关键词】多曲面槽式聚光;光学性能;光伏组件【作者】侯静;常泽辉;温雯;郑宏飞;江钒【作者单位】内蒙古建筑职业技术学院机电与暖通工程学院,内蒙古呼和浩特010070;北京理工大学机械与车辆工程学院,北京100081;内蒙古工业大学能源与动力工程学院,内蒙古呼和浩特010051;内蒙古建筑职业技术学院机电与暖通工程学院,内蒙古呼和浩特010070;北京理工大学机械与车辆工程学院,北京100081;北京理工大学机械与车辆工程学院,北京100081【正文语种】中文【中图分类】TM914聚光光伏发电系统是降低光伏发电成本的有效途径之一，它通过使用聚光器来提高入射到光伏组件单位面积上的辐照度，这有助于在相同电能负荷下，减少光伏组件所需的面积，用便宜的光学材料代替昂贵的半导体材料，提高了发电系统的成本综合效益[1]。

应用在光伏发电系统上的聚光装置分为菲涅尔(Fresnel)透镜折射聚光系统和抛物面反射聚光系统。

但是两者都需要使用成本较高的太阳跟踪装置、易集尘、风阻大[2]，而且在较高的聚光比下，常规光伏组件工作温度超过100℃，导致光电性能提高有限，需要附加生成空冷型或水冷型的电热联供系统才能保证系统工作稳定[3-4]。

实验二菲涅尔透镜聚光对电池组件特性参数的影响

实验二菲涅尔透镜聚光对电池组件特性参数的影响
比值有关，尤其在取对数之后，光生电流对开路电压的影响更加微小，所以光的因素对开路 电压影响并不明显。而由于填充因子不随日照强度成一致性变化，即填充因子和日照强度不 具有简单的函数关系,故在本实验中，不一定最大功率越高则填充因子也就越大，这取决于 电池组件本身的参数，但总体来说，变化不大。
我们还可以画出不同高度下，组件的 P-R 曲线，如图 2-7 所示，从图中可以清楚地看到， 不同情况下最大功率点所对应的负载电阻大小非常接近，从而也印证了实验二中我们提到的 理论。 菲涅尔透镜的角度对太阳能电池组件特性的影响
6.80 8.56 0.638 96.09
23cm 40.640
7.49 8.60 0.631 114.38
25cm 37.172
6.77 8.55 0.642 96.09
由表中数据画出最大功率曲线（图 2-5）、开路电压和短路电流的曲线（图 2-6），两 图中横坐标 0 点表示不加菲涅尔透镜的情况
在最佳位置确定之后，我们便可以在此位置进行相关实验的探究。从图 2-4 就可以发 现，在 23cm 处加上菲涅尔透镜之后，组件的 I-U 曲线明显处于为加透镜时 I-U 曲线的上方， 经过计算，不同高度下组件的最大功率、开路电压、短路电流、填充因子和功率增幅，记录 在表 2.3 中。
高度 最大功率（Biblioteka W） 短路电流（mA） 开路电压（V）
（1）实验证明，本套菲涅尔透镜聚光与太阳能电池板输出特性关系的实验仪器和实验 方法是切实可行的；
（2）菲涅尔透镜确实可以提高太阳能电池组件对光能的利用率，大幅提高组件的输出 功率；
（3）入射角度对太阳能电池板伏安特性、转换效率影响极大； （4）当光源垂直菲涅尔透镜表面入射时，系统的功率最大，随着入射角度的增大而递 减，且在一定入射角度范围内，功率损失较小； （5）在聚光太阳能电池组件的设计中，逐日系统的加入很有必要。 对于太阳能本身密度低、间歇性、空间分布不断变化的特点, 聚光太阳能电池组件可 以有效地提高太阳能的光能利用率，而精确追踪太阳光的智能装置对于聚光太阳能电池来说 就格外重要。通常的自动追光装置是将传感器安装在太阳能电池板上，与电池板同步转动。 光线方向一旦发生细微改变，系统输出信号就发生偏差，当偏差达到一定幅度时，传感器输 出相应更正信号。执行中枢开始进行矫正，使光电传感器重新达到平衡--太阳能电池板与光 线垂直时停止转动，完成一次调整周期。如此反复调整，太阳电池板时刻随着太阳光照方向 的改变进行调整，实现“自动追光”功能。目前，应用较多的是太阳能双轴跟踪系统，其中 光电检测追踪方式属于闭环控制, 精度高，但受天气与周围环境影响较大。所以研究出一种 更加先进的追光系统，对进一步提高太阳能电池组件的发电功率有很大的实用意义。

菲涅尔透镜地原理及应用

菲涅尔透镜地原理及应用

菲涅尔透镜的原理与应用〔国防科某某学院光学小组第六组〕［摘要］菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，镜片外表一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆。

菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线与可见光的凸透镜，效果较好，但本钱比普通的凸透镜低很多。

菲涅尔透镜可按照光学设计或结构进展分类。

菲涅尔透镜作用有两个：一是聚某某用；二是将探测区域内分为假如干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。

［关键词］菲涅尔透镜；原理；分类；应用；研究与开展状况本文主要从菲涅尔透镜的历史，根本原理，分类，作用，应用以与国内外的研究与开展状况等方面完整介绍了菲涅尔透镜的相关知识。

1.简介菲涅尔透镜(Fresnel lens) ，又称螺纹透镜，是由法国物理学家奥古斯汀•菲涅尔〔August in • Fres nel)发明的，他在1822年最初使用这种透镜设计用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统一一灯塔透镜。

菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片外表一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干预与扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的，透镜的要求很高，一片优质的透镜必须是外表光洁，纹理清晰，其厚度随用途而变，多在1mm左右，特性为面积较大，厚度薄与侦测距离远。

菲涅尔透镜菲涅尔透镜作用有两个：一是聚某某用；二是将探测区域内分为假如干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。

菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线与可见光的凸透镜，效果较好，但本钱比普通的凸透镜低很多。

多用于对精度要求不是很高的场合，如幻灯机、薄膜放大镜、红外探测器等。

2. 菲涅尔透镜的历史通过将数个独立的截面安装在一个框架上从而制作出更轻更薄的透镜，这一想法常被认为是由布封伯爵提出的。

孔多塞(1743-1794)提议用单片薄玻璃来研磨出这样的透镜。

组合非球面太阳能聚光镜的光学设计


秦摇 华鄢袁冯东太袁葛硕硕袁王摇 勇
渊山东理工大学 理学院袁山东 淄博 圆缘缘园源怨冤
摘要院提出了一种组合非球面反射型太阳能聚光镜并给出了设计方法遥 聚光镜由 猿愿 片非球面组成袁每一片非球面都由 一组特定系数 悦袁葬圆 袁葬源 袁葬远 袁葬愿 袁葬员园 的偶次非球面方程决定袁是此特定非球面的一部分遥 根据非球面方程和光反射定律矢 量形式袁导出了非球面内壁上太阳反射光束的方向矢量与非球面系数 悦袁葬圆 袁葬源 袁葬远 袁葬愿 袁葬员园 的关系袁适当地选择这些非球面 系数袁即适当地调整非球面面型袁可以使太阳反射光束具有特定的方向矢量袁使入射到非球面内壁上的太阳光束反射后 全部聚焦在某一特定的区域内袁形成小的光斑遥 每组特定系数都用粒子群优化算法求得袁并经计算机模拟和实验证明其 聚焦效果遥 聚光镜的光束压缩比为 猿猿园颐 员袁其聚焦光斑可作为一种高温热源袁而此聚光镜可以用在太阳能加热装置中遥 关摇 键摇 词院太阳能聚光镜曰组合非球面曰多项式系数优化曰光束压缩比 中图分类号院栽运缘员猿援 员摇 摇 文献标识码院粤摇 摇 凿燥蚤院员园援 猿苑愿愿 辕 悦韵援 圆园员源园苑园缘援 园愿源源
贼葬灶渍袁赠忆为离开顶点的 再 坐标值遥 选过 韵 点的反
射光线上的任一点 孕忆作为聚焦光斑中心袁为了不
遮挡光路袁应当增大 赠忆或者 赠忆贼葬灶渍 的值遥
图 圆摇 特殊入射尧反射光线与非特殊入射尧反射光线 位置关系
云蚤早援 圆摇 孕燥泽蚤贼蚤燥灶葬造 则藻造葬贼蚤燥灶泽澡蚤责 遭藻贼憎藻藻灶 泽责藻糟蚤葬造 蚤灶糟蚤凿藻灶贼鄄 则藻枣造藻糟贼藻凿 则葬赠泽 葬灶凿 糟燥皂皂燥灶 蚤灶糟蚤凿藻灶贼鄄则藻枣造藻糟贼藻凿 则葬赠泽
首先求出 光 线 和 载韵在 面 的 交 点 孕员 渊 曾员 袁 赠员 袁 扎员 冤袁由 孕员 渊 曾员袁赠员 袁扎员 冤 作 再 轴的平行线袁交非球面 于一点 孕忆员 渊 曾员 袁赠忆员 袁扎员 冤 袁并把 孕忆员 作为光线与非球

槽式太阳能系统聚光镜面参数对聚光特性的影响研究

[3] JAMES A,HARRIS,TERRY G,et al.Thermal performance of solar concentrator/cavity receiver systems[J].Solar Energy,1985,34(2):135-142.
[4] 郑宏飞，戴静，陶涛，何开岩. 多曲面槽式太阳能集热器的光线追踪分析[J]. 工程热物理学报，2011,32(10):1634-1638.
[10]JOHN A,DUFFIE,WILLIAM A.Beckman.Solar Engineering of Thermal Process[M].A Wiley-Interscience Publication,1980.
[11]江守利.反射聚光利用太阳能的基础理论与实验研究[D].中国科学技术大学博士学位论文，2009.
[12]崔映红，卑振华，赵熙.抛物面槽式太阳能集热器场热损失分析[J].可再生能源,2010,28(5):5-9.
[13]帅永，张晓峰，谈和平.抛物面式太阳能聚能系统聚光特性模拟[J].工程热物理学报，2006,(27)3:484-486.
[14]罗智慧，龙新峰.槽式太阳能热发电技术研究现状与发展[J].电力设备，2006,7(11)：29-32.
槽式太阳能系统聚光镜面参数对聚光特性的影响研究
张莹;李明;季旭;罗熙;陈飞;刘雅莉;王美地
【摘 要】The influence of condenser mirror's parameters on concentrating characteristics of the solar parabolic trough system was studied by theory,simulation,and experiment.The results indicate that the thickness,focal length and refractive index of the system leaded to the vertical difference (△Y)and the horizontal difference (△X) between the convergent light with the focal line.Empirical formulas with high correlation index was gained by OriginPro and consistent with the theoretical calculation by TracePro simulation and experiment.The research could provide reference to further design of the solar parabolic trough system.%对槽式太阳能系统聚光镜面参数对聚光特性的影响进行了理论、模拟及实验研究.结果显示,平行光下聚光镜面厚度、焦距、折射率导致汇聚光线在焦线位置发生横向离焦偏移△X与纵向离焦偏移△Y,采用OriginPro拟合出具有高相关指数的实用经验公式,并通过TracePro仿真及以焦距1060mm、反射镜折射率1.5、开口宽度1 600mm的典型槽式系统为平台进行实验验证.此研究可为太阳能槽式聚光系统进一步的设计优化提供参考.

组合非球面太阳能聚光镜的光学设计

组合非球面太阳能聚光镜的光学设计秦华;冯东太;葛硕硕;王勇【摘要】In this paper , a build-up aspherical solar concentrating mirror and its design method are presented . It is composed of 38 pieces of revolution surfaces , and each piece of revolution surface is the part of the as-pheric surface defined by a set of specific coefficientsC,a2 ,a4 ,a6 ,a8 ,a10 .According to the even aspherical e-quation and the law of reflection in vector form , the relationship between the direction vectors of rays of light reflected from the inner wall of aspheric surface and the coefficients of an aspherical equation , C,a2 ,a4 ,a6 , a8 ,a10 , has been derived .By appropriately choosing these aspherical coefficients , namely, appropriately ad-justing an aspherical surface type , the reflected light beam can have specific direction vectors , which can make the sunbeams incident on an aspherical inner wall focus on a particular area and form a small spot .Each group of specific coefficients is obtained by using particle swarm optimization algorithm .The focusing effect of the solar concentrating mirror with the specific coefficients is demonstrated by using computer simulations and proved experimentally .The theoretical compression ratio for this concentrating mirror is 330∶1 .The focused spot can be used as a high temperature heat source and the concentrating mirror can be used in a solar heating device .%提出了一种组合非球面反射型太阳能聚光镜并给出了设计方法。

线性菲涅尔式聚光器二次反射镜优化与研究

线性菲涅尔式聚光器二次反射镜优化与研究线性菲涅尔式聚光器二次反射镜优化与研究摘要：线性菲涅尔式聚光器（LFSC）由于其较高的光聚焦效率和紧凑的结构，被广泛应用于太阳能光伏发电、激光器、照明等领域。

然而，由于二次反射镜的存在，LFSC的光聚焦效率和光学性能受到限制。

本文通过优化和研究LFSC的二次反射镜，提出了一种新的改进方法，提高了LFSC的光聚焦效率和光学性能。

一、引言线性菲涅尔式聚光器是一种借助菲涅尔透镜原理实现光聚焦的装置。

其主要结构包括一次反射镜和二次反射镜，其中二次反射镜的设计和性能对LFSC的光聚焦效率和光学性能起着关键作用。

然而，目前关于LFSC二次反射镜的研究仍然较少。

二、LFSC的光聚焦效率与二次反射镜的关系LFSC的光聚焦效率可以通过聚焦光强度和光损耗率来衡量。

而光聚焦效率的提升与二次反射镜的结构和性能密切相关。

1. 二次反射镜的曲率优化通过优化二次反射镜的曲率，可以改变光线的聚焦效果。

常见的优化方法包括平面二次反射镜和球面二次反射镜。

平面二次反射镜具有匀强光斑和简单结构的优点，适用于大范围的光聚焦。

球面二次反射镜则具有更高的聚焦效果，适用于对光束形状要求较高的应用。

2. 反射镜的材质选择反射镜的材质也会对LFSC的光聚焦效率产生影响。

选用高反射率和低吸收率的材料，可以减少光能的损耗，提高光聚焦效率。

常见的反射材料有金属镀膜、镀膜玻璃等。

三、LFSC二次反射镜的优化方法为了提高LFSC的光聚焦效率和光学性能，本文提出了以下三种改进方法：1. 优化二次反射镜的设计通过使用光学模拟软件对二次反射镜的设计进行优化，可以得到最佳的曲率半径和反射材料。

2. 换向二次反射镜传统的线性菲涅尔式聚光器的二次反射镜都是固定的，无法调整。

本研究提出了一种可调整的换向二次反射镜，可以根据需要改变二次反射镜的角度和位置，从而优化光线的聚焦效果。

3. 使用非球面二次反射镜通过采用非球面二次反射镜，可以更好地控制光线的聚焦效果。

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Figure 1. Illuminance distribution on cell of optical funnel secondary concentrator 图 1. 光学棒二级聚光镜匀光效果
本文实现了两种二级聚光镜的设计，提高电池表面能量均匀性。并对其中非球面二级聚光镜进行了 超精密加工，通过光学实验验证了方法的可行性。
Keywords
Concentrating Photovoltaic, Secondary Concentrator, Aspheric Surface, Kohler Lighting
用于聚光光伏系统二级聚光镜的设计 及实验研究
程 颖1，朱 宁1，卢永斌2
1天津科技大学，机械工程学院，天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室，天津 2沂普光电(天津)有限公司，天津
3. 自由曲面二级聚光镜
3.1. 设计方法
从非球面二级聚光镜的仿真结果可以看出，其尽量将峰值尽可能的分配给四周，但这个峰值仍然存 在，如图 3(b)所示。所以出现了拼接式偏心 Fresnel 透镜和其二级聚光镜的研究[5]，如图 4 所示，(a)为偏 心拼接式的 Fresnel 透镜，将一块方形的 Fresnel 透镜均匀分成四个单元，将各单元沿着对角线方向移动 相同的距离，所形成的新 Fresnel 透镜的焦点由原来的一个变为四个且关于原点对称，如(b)所示。针对这 种偏心式 Fresnel 透镜所设计二级聚光镜会避免回转式的中心强度过高的问题，该二级聚光镜的设计的原 理为 Kohler 照明的原理[6]，即 Fresnel 透镜将太阳成像在二级聚光镜，二级聚光镜将 Fresnel 透镜成像在 电池片。
Applied Physics 应用物理, 2020, 10(7), 357-364 Published Online July 2020 in Hans. /journal/app https:///10.12677/app.2020.107048
Open Access
1. 前言
能源问题越来越受到人们的重视，太阳能作为取之不尽的清洁能源备受青睐。光伏发电作为太阳能 主要利用形式之一近年来也发展迅速。聚光光伏(CPV)发电可以大幅度降低太阳能电池的用量，是光伏发 电的发展趋势[1]。聚光镜是聚光组件的重要组成部分，通过采用廉价的聚光系统将太阳光会聚到面积很 小的高性能光伏电池上，从而大幅度地降低系统成本及昂贵的太阳能电池材料用量。
DOI: 10.12677/app.2020.107048
358
应用物理
程颖 等
2. 非球面二级聚光镜 2.1. 设计方法
一级聚光镜为 Fresnel 透镜，口径为 47.5 mm × 47.5 mm，焦距 50 mm。通过光学软件直接优化法， 将二级聚光镜面型设为 20 阶的奇次非球面，面型参数设置为变量，电池表面设置为接收面，接收面上照 度分布设置为评价函数，并将其设为均匀分布。优化后的二级聚光镜如图 2(a)所示，其光线追迹结果如 图 2(b)所示，二级聚光镜的参数如表 1 所示。
收稿日期：2020年7月8日；录用日期：2020年7月21日；发布日期：2020年7月28日
摘要
设计了一种非球面二级聚光镜，改善了光漏斗式的二级聚光镜的电池表面的光照均匀性。利用Kohler照
文章引用: 程颖, 朱宁, 卢永斌. 用于聚光光伏系统二级聚光镜的设计及实验研究[J]. 应用物理, 2020, 10(7): 357-364. DOI: 10.12677/app.2020.107048
Received: Jul. 8th, 2020; accepted: Jul. 21st, 2020; published: Jul. 28th, 2020
Abstract
An aspheric secondary concentrator is designed to improve the illumination uniformity of the cell surface of the optical funnel secondary concentrator. Based on Kohler illumination principle, the design of freeform secondary concentrator for eccentric Fresnel lens is realized. The machining of aspheric secondary concentrator is realized by ultra precision turning technology. The rationality and correctness of the design are verified by optical experiments.
已知参数的菲涅尔透镜
确定E1、E2、R1、R2、光线的最大容忍角度θ
根据E1和E2的最大边缘光线确定二级聚光镜的C点
以C点为初始点，从E2-Bi-R1计算Bi
以C点为初始点，从E1-Ai-R2计算Are 6. The secondary concentrator design flow chart: (a) calculation flow chart; (b) matlab calculation results 图 6. 二级聚光镜设计流程图，(a) 计算流程图；(b) matlab 计算结果
Figure 5. Principle of Kohler secondary concentrator 图 5. Kohler 二级聚光镜原理
根据 Kohler 原理建立如图 6(a)所示的设计流程，在透镜对角线所在平面进行计算，得到(b)所示的二 级聚光镜的采样点。所设计的自由曲面二级聚光镜可适用于任意已知参数的 Fresnel 透镜，此处所采用的 Fresnel 透镜边长为 47.5 mm × 47.5 mm，单元偏移量为 5 mm，由于该 Fresnel 透镜利用构造法[7]求得， 故透镜上各点坐标和法矢量均已知。
曲面系数 0.000968 5 阶系数 6.353127e−005 11 阶系数 8.406211e−007 17 阶系数 3.329617e−011
半径 2.999628 6 阶系数 6.981355e−005 12 阶系数 4.801007e−007 18 阶系数 2.308651e−011
1 阶系数 −0.000107 7 阶系数 2.057707e−005 13 阶系数 4.800913e−008 19 阶系数 4.014238e−012
(a)
(b)
Figure 2. Aspheric secondary concentrator: (a) secondary concentrator model; (b) ray tracing results 图 2. 非球面二级聚光镜，(a)二级聚光镜模型；(b) 光线追迹结果
Table 1. Parameters of aspheric secondary concentrator 表 1. 二级聚光镜面型参数
Design and Experimental Study of Secondary Concentrator Used in Concentrating Photovoltaic System
Ying Cheng1, Ning Zhu1, Yongbin Lu2
1Tianjin Key Laboratory of Integrated Design and On-Line Monitoring for Light Industry & Food Machinery and Equipment, College of Mechanical Engineering, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 2Yipu Optoelectronics (Tianjin) Co. Ltd., Tianjin
DOI: 10.12677/app.2020.107048
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应用物理
程颖 等
角坐标系。图中 E1 和 E2 是 Fresnel 透镜单元截面的边缘点，E1 在对称轴上，E0 为 Fresnel 透镜单元的对 称中心，即沿着 Y 方向入射的太阳光会聚焦到 E0 所在直线的焦点 C 上。入射光线具有±θ 的容忍角，以+θ 角度入射的平行光会聚到 A 点，以−θ 角度入射的平行光会聚到 B 点。经过二级聚光镜对入射光线的调制， 使入射到 A、B 和 C 的光线最终都将入射到电池片的边缘点 R1 和 R2 上，从而实现对一定入射角太阳光 的匀光。
DOI: 10.12677/app.2020.107048
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应用物理
程颖 等
(a)
(b)
Figure 3. Comparison of illuminance of receiving surface before and after adding aspheric secondary concentrator: (a) without secondary concentrator; (b) adding secondary concentrator 图 3. 增加非球面二级聚光镜前后接收面照度对比，(a)未增加二级聚光镜接收面照度；(b)增加了二级聚光镜接收面 照度
2.2. 光学仿真
对上面的模型进行光学仿真，对比二级聚光镜增加前后电池片表面能量分布的均匀性，如图 3 示。 可看出均匀性有了大幅度改善，且与积分棒形式的二级聚光镜相比，电池片表面的均匀性也有很大提高。 从仿真结果也可看出，Fresnel 透镜在焦点处的中心能量是最强的，若通过接收面在焦点附近的移动也会 得到能量相对均匀的光斑，增加二级聚光镜后，可将中心处的强度减少，其他部分的光强增加，使能量 均匀分布，所以二级聚光镜是 CPV 聚光模组的必要的结构。