二次聚光器

光电测控技术学术语

二次聚光器是指光线从上底面折射进入经过两个侧面的全反射入射到下底面进行二次聚光的倒置的玻璃棱锥。

背景

随着传统能源的日益枯竭和环境污染的不断加剧，开发可再生的清洁能源已经成为全世界面临的共同课题。在各种形式的新能源开发中，利用太阳能来发电的光伏技术备受瞩目，但光伏发电作为社会整体能源结构的组成部分所占比例尚不足1%，造成这种状况的主要原因是光伏发电的成本太高。所以，降低发电成本是目前光伏技术面临的首要任务，有效途径之一是采用聚光太阳电池，用比较便宜的菲涅耳透镜聚光器来部分代替昂贵的太阳电池，这就是所谓的聚光型光伏技术。

采用聚光型光伏技术的高倍聚光光伏模组都需要配备高精度的双轴跟踪系统。但是，由于双轴跟踪系统的跟踪误差会大大降低聚光太阳电池接收到的光能量。同时，由于菲涅耳透镜高倍聚焦光斑的热点效应、聚光太阳电池对光斑强度分布均匀性的依赖性以及系统安装精度的限制，高倍聚光光伏系统的转换效率会受到很大限制。因此，世界上多个研发机构都在考虑把二次聚光器引入聚光系统。并且，无论是软件模拟还是实际应用，结果都表明：二次聚光器对系统效率的提高有着重要的意义。

二次聚光器聚光原理

二次聚光器实质上是一个倒置的玻璃棱锥。图1是它的二维聚光光路图，光线从上底面折射进入全反射式二次聚光器，经过两个侧面的全反射入射到下底面，由于上底面面积大于下底面面积，所以，它可以起到二次聚光的作用。

由折射定律和三角几何关系可知：

式中： n1 、 n2 分别为空气和二次聚光器材料的折射率。

为了保证光能透过率需要使光线在侧壁全反射，根据全反射定律可知：

综合上述五个公式得：

由上两个公式可确定入射角 A1 和倾角 D 的关系，从而对全反射式二次聚光器的设计提供理论依据。对于存在更多次全反射的情况，可以根据上述方法进行推导。而对于更复杂的三维聚光以及多波长聚光的情况，则需要结合光学设计软件的光线追迹来进行仿真设计。

设计原则

全反射式二次聚光器是安装在菲涅耳透镜和太阳电池之间起连接作用的光学元件，上底面位于菲涅耳透镜的焦平面 , 下底面紧贴着太阳电池。为了不造成太阳电池的浪费，二次聚光器出射面的形状和大小要跟太阳电池一致。为了不造成光能量的浪费，它的入射面形状跟出射面形状一致，大小由菲涅耳透镜聚焦光斑的大小和跟踪系统的跟踪误差角度来决定。然后由理论分析的结果确定初始高度，再通过非成像光学光线追迹不断优化，直到太阳电池表面获得最高的理想光学效率和光斑强度分布均匀性。

性能分析

对光斑强度分布均匀性的分析

由于太阳电池串联电阻焦耳效应的存在，非均匀的光斑强度分布会降低太阳电池的填充因子。而太阳电池的转换效率公式为：

式中：

PL——表示太阳光入射能量；

Voc——表示开路电压；

Isc——表示短路电流；

FF ——表示填充因子。

由上式可知，提高填充因子可以提高太阳电池的光电转换效率。

如图2，在没有二次聚光器的情况下，菲涅耳透镜在太阳电池表面上形成的光斑强度分布均匀性为 0.91% ，引入二次聚光器后在太阳电池表面形成的光斑强度为 90.24% ，可见二次聚光器的引入大大提高了光斑强度分布的均匀性，进而提高电池的转换效率。

对跟踪误差容忍度的分析

目前，比较成熟的双轴跟踪系统的跟踪精度都可以控制在 0.5° 以内。但是对于高倍聚光光伏系统，光线的稍微偏移都会引起聚焦光斑的大距离偏移，从而在太阳电池表面上产生很大的光能量损失。图3上图表示在跟踪误差为 0.5° 时单菲涅耳透镜在太阳电池表面上形成的能量分布情况。图3下图为引入二次聚光器后在太阳电池表面上形成的能量分布情况。

在跟踪系统的跟踪误差为 0.5° 时，引入二次聚光器之前，太阳电池表面接收到了入射光能量的 86.6% ，而在引入二次聚光器后，太阳电池表面接收到了入射光能量的 98.5% ，二次聚光器的引入使太阳电池表面上接收的能量提高了大约 12% 。

可见，在跟踪系统的跟踪误差为 0.5° 时，二次聚光器的引入可以使太阳电池接收到的光能量仍保持在 98% 以上，而在没有二次聚光器的情况下，太阳电池只能接收到大约 87% 的光能量。所以，二次聚光器能提高系统接收角，降低对跟踪系统跟踪精度的要求。

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