[发明专利]一种超短聚焦聚光光伏聚光镜

摘要

本发明提供一种超短聚焦聚光光伏聚光镜设计方法，所设计的聚光镜由三部分组成，透镜阵列、多个自由曲面反射镜单元，和太阳能电池，深宽比低于0.2，透镜单元由两个表面组成，面型为非球面，分别定义为S₁和S₂；自由曲面反射镜由一个表面S₃组成，面型为自由曲面；太阳能电池的接收面的面型为平面；需要求解的S₁、S₂和S。利用本发明提供的方法可以设计出电池片光照能量分布均匀的超短聚焦聚光光伏聚光镜。

主权项

一种超短聚焦聚光光伏聚光镜设计方法，所设计的聚光镜由三部分组成，透镜阵列、多个自由曲面反射镜单元，和太阳能电池，透镜阵列位于反射镜的上面，太阳能电池位于它们的侧面，光线依次经过透镜、反射镜后入射到太阳能电池上，深宽比低于0.2，透镜阵列由一系列透镜单元组成，每一个透镜单元对应一个自由曲面反射镜单元，其中一对透镜单元和自由反射镜单元的设计方法如下：1)透镜单元由两个表面组成，面型为非球面，分别定义为S₁和S₂；自由曲面反射镜由一个表面组成，面型为自由曲面，定义为S₃；太阳能电池的接收面的面型为平面，定义为S₄；需要求解的S₁、S₂和S₃，S₁、S₂和S₃均由离散点构成，对其求解的过程就是求解离散点坐标的过程；将入射光线束离散化处理，则每一条光线均与S₁、S₂、S₃和S₄相交，且在每一个面上的交点只有一个，求解S₁、S₂和S₃的过程最终转化成求解光线与S₁、S₂和S₃交点的过程；2)设其中一条光线为f，首先求解光线f与S₁和S₂的交点，设光线f分别与透镜单元的两个表面S₁和S₂分别交于P₁和P₂；3)光线f在所求的两个非球面S₁和S₂之间，依次穿过三种传播介质：气体N₀、透镜单元N₁和气体N₂，S₁和S₂之间的距离为d，光线f通过S₁的方向和位置参数分别为U₀和h₁，U₀为光线f与光轴Z的夹角，h₁为光线f与S₁切平面交点的高度值，光线在S₁后的方向参数为U₁，光线通过S₂后的方向和位置参数分别为U₂和h₂，以透镜单元的光轴方向为Z方向，透镜单元的径向方向为Y方向，对透镜单元的两个面S₁和S₂分别建立坐标系，光线f与S₁面的交点为P₁(y₁,z₁)，与S₂面的交点为P₂(y₂,z₂)，P₁和P₂之间的距离为R，R_y和R_z分别为R在y和z方向上的分量，即R、R_y和R_z满足公式(1)，光线的方向角满足公式(2)：$\left\{\begin{array}{c}{R}_y=y_2-y_1\\ R_z=d-z_1+z_2\\ R=\sqrt{{R_y}^2+{R_z}^2}\end{array}\right.---\left(1\right)$$\left\{\begin{array}{c}\sin U_1=\frac{R_y}{R}\\ \cos U_1=\frac{R_z}{R}\end{array}\right.---\left(2\right)$4)光线f在S₁上的y方向的坐标通过公式(3)表示，同理，在S₂上的y方向的坐标如公式(4)：y₁＝h₁+z₁tanU₀    (3)y₂＝h₂+z₂tanU₂    (4)5)通过公式(1)‑(4)，可得到S₁和S₂上P₁和P₂坐标的微分方程组，如公式(5)所示，通过求解这两个微分方程即可求得P₁和P₂的坐标，依次求解物空间所有的光线就可得到S₁和S₂所有离散点的坐标：$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dz}}_1}{\mathrm{df}}=-{[\frac{N_1{R}_z-N_{0}R\cos U_0}{N_1{R}_y-N_{0}R\cos U_0}+\tan U_0]}^{-1}(\frac{{\mathrm{dh}}_1}{\mathrm{df}}+z_1\frac{d\tan U_0}{\mathrm{df}})\\ \frac{{\mathrm{dz}}_2}{\mathrm{df}}=-{[\frac{N_1{R}_z-N_{2}R\cos U_2}{N_1{R}_y-N_{2}R\cos U_2}+\tan U_0]}^{-1}(\frac{{\mathrm{dh}}_2}{\mathrm{df}}+z_2\frac{d\tan U_2}{\mathrm{df}})\end{array}\right.---\left(5\right)$6)计算光线f与S₃的交点，求解S₃：光线f与S₁和S₂的交点P₁和P₂上面已经求得，光线f与S₄的交点Q的坐标已知，S₃上已知点的坐标为P₀，为P₀处的法矢量，设光线f与反射面的交点为P(x,y)，利用反射定律(6)和垂直条件(7)求得P的坐标；$\stackrel{\→}{\mathrm{Qp}}=\stackrel{\→}{{\mathrm{PP}}_2}-2(\stackrel{\→}{{\mathrm{PP}}_2}\·\stackrel{\→}{\mathrm{QP}})\stackrel{\→}{n}---\left(6\right)$$\stackrel{\→}{n}\·\stackrel{\→}{{\mathrm{PP}}_0}=-1---\left(7\right)$7)依次求得S₁、S₂和S₃的点坐标以后，进行拟合得到S₁、S₂和S₃的面型。