小型太阳能聚光镜的优化设计

菲涅尔太阳能聚光镜的设计朴聪;张国玉【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2011(32)1【摘要】讨论并设计了一种超薄的菲涅尔聚光镜,根据费玛原理设计出以非球面为截面的中心折射区域和TIR(内部全反射)棱镜为锯齿部分的折反区域,用ZEMAX软件优化得到最佳聚光态,并利用ZEMAX软件模拟出菲涅尔聚光镜聚光性及其能量分布,最终得到总厚度仅为30 mm的折反复合型菲涅尔聚光镜.实验结果表明:折反复合型菲涅尔聚光镜不仅能提高太阳能的利用率,同时也使会聚到光电池表面上的能量分布更均匀,复合式菲涅尔聚光镜的性能优于传统的菲涅尔聚光镜.%An ultra-thin Fresnel condenser lens was discussed and designed. According to Fema principle, an aspheric surface was designed as central refraction area, and a total internal reflection (TIR) prism was designed as a catadioptric area in saw-teeth part. The optimal condense performance was achieved with ZEMAX. ZEMAX was used to simulate the concentration and distribution of Fresnel condenser, and a Fresnel condenser with thickness of 30 mm was designed. The compounded Fresnel lens improves the utilization of solar energy and provides a better uniformity of energy distribution. The design method generates a better compound condenser than conventional Fresnel condenser.【总页数】4页(P23-26)【作者】朴聪;张国玉【作者单位】长春理工大学,光学工程学院,吉林,长春,130022;长春理工大学,光学工程学院,吉林,长春,130022【正文语种】中文【中图分类】O435【相关文献】1.基于DSP的线性菲涅尔太阳能集热系统设计与实现 [J], 王浩林;张津;王魏2.微弧线性菲涅尔太阳能集热器的设计 [J], 欧阳海玉;牛玉刚;王浩林;闫柏玲3.线性菲涅尔反射式太阳能集热系统的设计与试验研究 [J], 朱艳青;李育坚;王雷雷;邓育军;史继富;徐刚4.基于射线追踪法的线性菲涅尔聚光镜场阴影与遮挡分析 [J], 马军;夏荣斌5.滑移式线性菲涅尔太阳能集热器的设计及实验研究 [J], 卢梓健;黄金;胡艳鑫;王海;陈友鹏因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

太阳能聚焦系统的光学设计与效能提升研究太阳能作为一种清洁、可再生的能源被广泛应用于各个领域。

在利用太阳能发电的过程中，太阳能聚焦系统扮演着重要的角色。

本文将探讨太阳能聚焦系统的光学设计与效能提升的研究。

1. 引言太阳能聚焦系统通过利用反射镜或透镜将太阳光线聚焦在聚光点上，以提高太阳能的能量密度。

然而，由于光学元件的制作和组装误差，以及光学材料的散射和吸收等因素，太阳能聚焦系统的光学效能存在一定的提升空间。

2. 光学设计优化在太阳能聚焦系统的光学设计中，需要考虑到光线的入射角、反射率以及透过率等因素。

通过对反射镜或透镜的曲率和材料选择进行优化，可以减小光线的散射和吸收，提高系统的光学效能。

一种常用的优化方法是使用非球面镜片。

非球面镜片与传统的球面镜片相比，具有更好的焦距和光线聚焦能力。

通过合理设计非球面镜片的曲率和厚度分布，可以实现更好的光学聚焦效果。

此外，通过多次反射或折射，太阳光线可以在太阳能聚焦系统中进行多次聚焦，从而进一步提高光学效能。

例如，采用二次反射或折射系统可以将光线聚焦到更小的面积上，增加太阳能的能量密度。

3. 效能提升的工程应用除了光学设计的优化，太阳能聚焦系统的效能提升还可以通过其他工程应用来实现。

例如，可以采用自动跟踪系统来确保太阳能聚焦系统始终正对太阳，最大程度地接收阳光。

同时，还可以通过调整系统的焦距和聚光点位置，以适应不同的太阳高度和云量变化，提高系统的稳定性和适应性。

另一种方法是在太阳能聚焦系统中添加光学增强层。

该层能够通过增加光线的反射和透射效果，提高系统的光学效能。

常见的光学增强层材料包括二氧化硅、氧化锌和银等，它们具有优异的光学性能和稳定性。

此外，可以通过热量回收来提高太阳能聚焦系统的效能。

太阳能聚焦系统在聚焦太阳光的同时也产生了大量的热量。

通过利用该热量进行热水供应、热食水加热或发电等应用，可以实现能量的多重转化，提高系统的能量利用效率。

4. 实验研究与案例分析为了验证光学设计与效能提升的研究成果，进行实验研究以及案例分析是必不可少的。

太阳能聚光器的设计与优化太阳能是一种无限可再生的能源，被世界各国广泛研究和应用。

其中，太阳能聚光器是一种常见的太阳能利用装置，可以将太阳的能量通过反射和聚光的方式集中起来，提高能源转化效率。

然而，太阳能聚光器的设计和优化需要考虑很多因素，包括材料、反射率、光学聚焦率等等。

本文将从不同角度探讨太阳能聚光器的设计与优化方法。

一、太阳能聚光器的类型太阳能聚光器的种类很多，根据聚光方式可以分为平板型、抛物面型、菲涅耳透镜型三种。

其中，抛物面型太阳能聚光器最为常见，其原理是通过抛物面镜面反射，将太阳的光线聚焦到一个点上，达到提高光能转换效率的目的。

二、太阳能聚光器的设计与优化1. 材料选择太阳能聚光器的材料主要有光学玻璃、聚碳酸酯等。

其中，光学玻璃具有高透光率、较低的散射率和吸收率，是一种很好的太阳能聚光器材料。

而聚碳酸酯则具有较高的耐冲击性、变形性和耐化学腐蚀性，适合用于反射面板材料。

2. 反射率设计太阳能聚光器的反射率是影响聚光效果的关键因素之一。

一般来说，反射率越高，聚光能力越强。

因此，在太阳能聚光器的设计中需要选择高反射率的材料，并将反射面板表面加工成光滑的镜面，以获得更高的反射率。

3. 光学聚焦率太阳能聚光器的光学聚焦率指的是太阳光线经过聚光器反射后会聚的能量和原始太阳光线之比。

在聚光器设计中，需要调整反射面的形状和角度，以调整光学聚焦率，获得更高的聚光效率。

4. 热损失控制太阳能聚光器将太阳光线聚焦到一个点上，产生高温，而聚光器本身也会吸收部分能量，产生热损失。

为了控制热损失，需要选择具有较好传导性能的反射材料，并在反射面板和焦点处设置散热装置，将产生的热量快速散发出来。

三、太阳能聚光器的应用太阳能聚光器的应用范围很广，例如太阳能发电、太阳能热水器、太阳能热处理等。

其中，太阳能发电是太阳能聚光器的主要应用领域之一。

通过太阳能聚光器将太阳光线聚焦到光伏电池上，产生热量并驱动液态盐循环，从而发电。

槽式太阳能聚光镜设计及聚焦性能模拟王磊磊建筑工程学院摘要：为使焦面光斑尺寸最小，理论计算了槽式太阳能聚光镜的母线方程。

根据蒙特卡洛光线跟踪法及镜面反射定律，对一开口宽度为5.77m，长度为0.4m的槽式太阳能聚光镜的聚焦性能进行了仿真计算。

从焦面上的接收能量角度而言，理论分析与仿真结果之间的误差为2.6%。

这将对槽式聚光系统的设计及优化提供了可靠依据。

关键词：槽式太阳能聚光镜，聚焦性能，仿真1前言槽式太阳能热发电技术是目前最为成熟的太阳能热发电技术，是最早实现大规模应用的太阳能热发电系统，也是目前三种太阳能聚焦热发电系统中唯一实现商业化运行的热发电方式[1]。

槽式系统采用抛物线型槽式反射镜面将太阳光聚焦到位于焦线的集热管上（图1），将管内的传热工质（油或水）加热至一定温度，然后经热交换器产生蒸汽驱动汽轮发电机组发电。

在开口宽度一定时，为保证焦面光斑尺寸最小，设计合理的槽式太阳能反射镜面，对整个槽式系统的高效运行至关重要。

因此，本文在分析太阳能聚焦理论的基础上，对一开口宽度为5.77m，长度为0.4m的槽式太阳能聚光镜的聚焦性能进行了仿真计算。

以对槽式聚光系统的设计及优化提供了可靠依据。

图1 槽式太阳能热发电聚光示意图2 太阳能聚焦分析理论[2-4]太阳光线存在32分张角，在太阳能聚焦分析中，假定：1）在太阳张角内，入射太阳光被认为是各方向辐射照度相同；2）反射方式只考虑抛物面的镜面反射；3）当地日照常数取1000W/m 2[5]。

太阳光经抛物反射面反射后在XOY 平面上形成光路如图2所示。

图中o 为坐标原点，F 为抛物面焦点，A 和B 分别为抛物面在XOY 平面上投影的端点。

图2 聚焦器误差示意图 3 槽式太阳能聚光镜设计算例及结果分析3.1设计要求1）采用槽式太阳能聚光镜，槽式聚光镜开口宽度5.77m ；2）焦面光斑尺寸最小；3）确定槽式太阳能聚光镜母线方程。

3.2 母线方程计算过程焦面光斑尺寸CD ：φθφφθφφθφθ2sin 2tan 4cos sin 2tan 2)cos 1(cos 2tan4cos 2tan2CD ⋅=⋅⋅=+⋅=⋅=AE AE f AF ，所以φ=45度时，CD 最小为0.054m 。

OMEGA型空间太阳能电站聚光镜与光电转换系统设计OMEGA型空间太阳能电站聚光镜与光电转换系统设计一、引言随着全球能源需求的不断增长以及传统能源资源的日益枯竭，太阳能作为一种无污染、可再生的清洁能源逐渐受到人们的重视。

而太空中的太阳辐射强度更高，且不受大气层等因素的限制，因此开发利用太空太阳能具有巨大的潜力。

本文主要介绍了一种OMEGA型空间太阳能电站聚光镜与光电转换系统的设计。

二、OMEGA型空间太阳能电站聚光镜设计OMEGA型空间太阳能电站聚光镜具有多个反射面，能够将太阳辐射聚光到太空太阳能电池的表面，提高光电转换效率。

首先，我们需要确定聚光镜的形状和尺寸。

为了提高聚光效果，采用了抛物面反射器的设计。

通过光学设计软件进行模拟和优化，确定了合理的抛物面曲率和直径，使聚光镜的反射能力最大化。

接下来是选择材料，由于太空环境的恶劣条件，聚光镜需要具备耐高温、耐辐射和耐腐蚀等特性。

常用的材料有石英玻璃、铝薄膜和耐高温塑料等。

根据实际需求，我们选择了石英玻璃作为聚光镜的材料。

然后，对石英玻璃进行表面处理，增加其反射能力和耐腐蚀性能。

在聚光镜的安装过程中，需要考虑到太空环境的真空和温度等因素对材料性能的影响，确保聚光镜的稳定性和可靠性。

同时，为了减小材料的重量和尺寸，减轻卫星的负载，可选用薄膜聚光镜，将其叠层在硬质基底上。

三、OMEGA型空间太阳能电站光电转换系统设计光电转换系统是将聚光镜聚集的太阳能转化为电能的关键部分。

此处，我们采用了高效率太阳能电池作为光电转换组件。

为了提高系统的效率和可靠性，采用了多级串联的方式。

首先，通过多级串联的结构，可以提高整体的电压输出，进一步提高电池的工作效率。

其次，每个电池模块之间采用并联的方式，以保证整个系统的工作稳定性，降低单个电池模块失效的影响。

此外，为了保证光电转换效率，需要选择合适的太阳能电池材料。

近年来，多结太阳能电池的研究取得了显著进展，如硅基多结太阳能电池、高效率砷化镓太阳能电池等。

聚光太阳能集热器的设计及优化太阳能作为一种可再生的清洁能源，已经逐渐成为人们关注的焦点。

聚光太阳能集热器作为太阳能利用的一种形式，以其高效收集太阳能的能力，受到了广泛的关注和应用。

本文将深入探讨聚光太阳能集热器的设计原理、优化方法以及未来的发展趋势。

聚光太阳能集热器的设计原理主要基于光学原理。

通过采用透镜、反射镜等光学元件，将太阳光线聚焦到集热器的焦点上，以实现更高效的能量收集。

其中，常见的聚光太阳能集热器包括平面聚光太阳能集热器和抛物面聚光太阳能集热器。

平面聚光太阳能集热器的设计相对简单，主要由透明玻璃罩、反射镜和吸热管组成。

透明玻璃罩用于收集太阳光，反射镜将太阳光线反射到吸热管上。

吸热管内部充满工作介质，依靠光热转换将太阳能转化为热能。

平面聚光太阳能集热器具有结构简单、制造成本低等优点，但在能量收集效率上相对较低。

抛物面聚光太阳能集热器则采用抛物面反射镜的设计原理，借助抛物面的特性将太阳光线汇聚到焦点上。

抛物面聚光太阳能集热器的优点在于能量收集效率高，但造成了结构复杂、制造成本较高等问题。

在抛物面聚光太阳能集热器的设计中，需要考虑到反射镜曲率的控制、镜面反射率的提高等因素，以实现更高的能量利用效率。

为了优化聚光太阳能集热器的性能，可以从多个方面进行改进。

首先，在光学设计层面上，可以采用更高效的光学元件，如非球面透镜、光纤聚光器等，以提高光能的聚焦效果。

此外，可以采用多级集热的方式，将聚焦后的光线进一步聚焦到集热器的吸热管上，进一步提高能量收集效率。

其次，在材料选择上，应选用具有较高光热转换效率和耐高温性能的材料。

常见的吸热管材料有铜、铝等，而对其表面涂层的选择也对能量收集效率有着重要影响。

研究表明，选择具有高吸光率和低放射率的涂层材料，可以有效提高集热器的热转换效率。

此外，对于聚光太阳能集热器的工程应用来说，还需要考虑实际运行环境的因素。

如何减少聚光太阳能集热器在不同日照角度下的能量损失，如何有效降低因背面散热导致的损失等都是需要考虑的问题。

Fresnel聚光器的优化设计及其在聚光光伏中的应用研究为提高聚光光伏技术的竞争力,急需进一步提高聚光光伏产品的性能,降低发电成本。

目前,国内GaIn P/Ga In As/Ge多结聚光太阳电池的产业化效率已达到40%以上,然而聚光光伏模组的效率却远低于聚光电池的效率。

分析各种非理想因素的影响,发现聚光器件是效率损失的主要来源之一。

传统平板型Fresnel聚光器主要基于成像原理和单波长设计,聚光效果并不理想,主要体现在:(1)宽光谱内的色散导致了严重的截断损失,从而降低了聚光器的聚光效率;(2)存在聚焦光斑空间和光谱分布不均匀的问题,导致Ga In P/Ga InAs/Ge多结电池短路电流、填充因子以及光电转换效率的降低。

为充分利用Ga InP/Ga In As/Ge多结电池的高效率,需要配备性能优异的聚光器,从而提高聚光光伏模组的产业化效率。

针对以上问题,本论文在国家863项目“兆瓦级高倍聚光化合物太阳电池产业化关键技术(2011AA050507)”的支持下,采用理论分析、仿真计算和实验研究相结合的方法,进行了新型Fresnel聚光器的设计研发工作,同时展开新型Fresnel聚光器在聚光光伏中的应用研究,促进了聚光光伏模组光电转换效率的提升。

具体研究成果如下:1.建立了Fresnel聚光器性能表征参数的理论计算模型。

引入截断损失的概念,定量分析了Fresnel聚光器的光学损失,对影响聚光效率的因素进行了详细的理论分析;基于光线追迹法,建立了聚焦光斑均匀性的理论计算模型。

2.优化设计了一种适用于Ga In P/Ga In As/Ge多结太阳电池的高效均匀聚光Fresnel透镜。

综合考虑AM1.5D太阳光谱、各子电池的光谱响应特性及透镜材料的折射率色散曲线,采用多波长与多焦点相结合的设计方法,对Fresnel透镜进行优化设计。

基于光线追迹法,对该新型透镜的聚光性能进行评估,仿真结果表明:所设计的透镜在300~1800 nm宽光谱范围内以及各子电池光谱响应波段内的聚光分布均匀度都高于75%,聚光效率均大于80%;3.对高倍聚光光伏单元进行了电性能仿真分析及实验研究。