CN102540496A - 聚光光伏***中的近场光束衍射叠加方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于太阳能聚光光伏发电领域，具体涉及在聚光光伏发电***中采用子镜阵列(有时也称列阵透镜、复眼透镜、或蝇眼透镜)近场光束衍射叠加方法，运用传统透镜、菲涅耳透镜、反射镜、波带板(片)、柱面透镜或柱面反射镜、及其列阵等光学元件在半导体太阳能电池上形成形状匹配的均匀聚光，以达到高效的太阳能电池利用与光电转化效率。本发明采用子镜阵列将入射太阳光在空间上分解成数道子光束，这些子光束经过近场衍射和传输，在会聚光学元件的焦点附近，也即是半导体太阳能电池的位置上，非相干叠加合成形状和尺寸与电池匹配的均匀聚焦光斑。本发明的优点是：用较简单的光学***实现形状和尺寸与电池匹配的均匀聚焦光斑，聚光倍数能灵活调节，适用于高倍聚光光伏***，所需箱体小，成本低，受***位置偏差和不均匀入射太阳光的影响比较小。

Description

聚光光伏***中的近场光束衍射叠加方法

1.技术领域

本发明属于太阳能应用领域，具体涉及在聚光光伏(Concentrating Photovoltaic，CPV)发电***中采用近场光束衍射叠加方法，运用透镜、菲涅耳透镜、波带板(片)、反射镜、柱面透镜或柱面反射镜，及其列阵等光学元件形成形状和尺寸与半导体太阳能电池匹配的均匀聚光，以达到高效的太阳能电池利用与光电转化效率。

2.背景技

传统聚光光伏***通常使用一级或多级光学***，将太阳光会聚在半导体太阳能电池上。由于聚光作用，所需半导体太阳能电池的面积可以远远小于整个***接收的入射太阳光的面积，从而大大节省太阳能电池的材料使用，降低聚光光伏***的成本。在此基础上，可以使用效率很高、成本也相对较高的三五(III-V)族多结半导体太阳能电池(例如目前已有的砷化镓类三结半导体电池效率已经达到41％)，从而提高聚光光伏***的发电效率。另外，相对于单倍太阳光照，采用会聚太阳光能的方式还可以提高半导体太阳能电池本身的能量转化效率和利用率。

考虑到晶片切割的成本，半导体聚光太阳能电池片通常为长方形或正方形，但也不排除别的特殊形状。聚光光伏***中的光学设计应该使得会聚的太阳光聚焦光斑与电池的形状和尺寸相匹配，并均匀地照射在聚光电池上。如聚焦光斑与电池的形状不匹配，会造成聚光电池面积的浪费或者部分会聚光斑能量不能够被有效接收；如聚焦光斑不均匀，则会降低相应的聚光电池效率。

为了在聚光光伏***中产生与电池形状和尺寸匹配的均匀聚焦光斑，在一项近期的美国专利申请(申请号：US 2008/0041441 A1)中聚光设计采用长方形棱镜阵列[参考文献1]。阵列中的每个长方形子棱镜都分别将照射于其上的太阳光均匀折射到长方形的聚光电池上。这个方法的一个局限性是每个子棱镜的大小需要跟聚光电池的大小相似，也就是说，如果采用会聚500倍的高倍聚光光伏***，此棱镜阵列需要500个子棱镜，造成生产加工上的困难利高成本。此方法的另一个局限性是不能有较高的数值孔径，导致聚光光伏组件的箱体较厚。另一个美国专利申请(申请号：US 2007/0251568 A1)公开了一个类似的采用子透镜/子反射镜阵列的光学成像会聚***[参考文献2]。这个方法的一个局限性是基于几何成像叠加，严格的物像关系要求将子透镜/子反射镜阵列放在二级光学元件前的2倍焦距处，导致整个光学***沿光轴方向至少需要3倍焦距以上的厚度。和前一个专利类似，此方法也要求阵列中的子镜和聚光电池大小相似，同样不适用于高倍聚光光伏***。

透镜列阵过去曾用于激光核聚变和X射线激光中，用来产生均匀的激光场[参考文献3]。激光场的相干性很容易产生由列阵边缘带来的干涉和强衍射，所以列阵只能放在主镜的附近。该技术中主透镜和子透镜均为圆透镜，只是对于均匀线聚焦，子透镜改为柱透镜。

透镜列阵有时也被称为列阵透镜、蝇眼透镜或复眼透镜。

本发明采用子透镜/子反射镜阵列，利用太阳光的近场光束衍射非相干叠加方法来实现具有与光伏电池相似形状的均匀聚光。

3.发明内容

本发明使用透镜/反射镜等光学元件阵列，首次将近场光束衍射叠加方法用于聚光光伏***，利用太阳光的近似非相干性以期获得拥有理想形状的(与光伏电池形状相似)、强度均匀的聚光。并在聚光***上，提出了一系列新颖的设计。

由于子镜阵列的存在，整个***有效焦点位于主透镜焦点的前方或后方。对于一个理想几何光学***(各光学元件具有抛物面形)，通过子镜阵列分解的子光束在主透镜的焦点上有着完全一样的横截面，所有子光束在这一焦点上的叠加会产生一个均匀的光斑。由于太阳光的不相干性和近场衍射，光斑形状和阵列中的子镜相同，而光斑的尺寸大小则由主镜和子镜的各自焦距和相互位置决定。

本发明采用的阵列中的子镜可以是透镜、菲涅耳透镜、波带板(片)、反射镜、菲涅耳反射镜等会聚/发散光学元件，并具有抛物面形或近抛物的非球面以消除/减少球形像差，但一些小面积或长焦元件也可使用常用的球面。其形状和光伏电池形状应相同。一维聚光***，会通常采用一维抛物柱面镜。

本发明采用的主镜可以是透镜、菲涅耳透镜、波带板、反射镜、菲涅耳反射镜等会聚/发散光学元件，或它们的组合。并具有抛物面形或近抛物的非球面以消除/减少球形像差，但一些小面积或长焦元件也可使用常用的球面。一维聚光***，会通常采用一维抛物柱面镜。

近场衍射使太阳光聚焦光斑具有和子镜同样的形状，子光束的衍射叠加产生均匀和亮度加强的聚光。子透镜/子反射镜阵列可以放在聚光光伏***的任何一级。只要满足近场条件，阵列距离其他光学元件可以在一定范围内随意调节，从而导致整个聚光光伏***组装箱体减小，成本降低。本发明的优越性在于：

1.产生和光伏电池形状相似的均匀聚光；

2.***成本低，箱体小；

3.在其他元件特性(焦距，光阑孔径)固定下，聚光倍数还可通过阵列与主镜的距离来调节，设计灵活机动，适用广泛；

4.受器件相对太阳光位置偏差和不均匀入射太阳光的影响比较小；

5.受光伏电池在光轴上的位置影响比较小。

4.附图说明

为方便起见，除非特别说明，下文中一律将抛物形透镜、菲涅耳透镜、球面与非球面透镜统称为透镜，而把抛物形反射镜、菲涅耳反射镜、球面与非球面反射镜统称为反射镜。在所有图中，Z坐标代表光轴方向，X、Y坐标代表垂直于光轴Z的平面。

图1是传统聚光光伏***的一级光学设计示意图。图中，11-入射太阳光，12-前窗，13-主透镜/凹面反射镜，14-会聚光斑及太阳能光伏电池。

图2是传统聚光光伏***的两级光学设计示意图。图中，21-入射太阳光，22-前窗，23-(第一级)主透镜/凹面反射镜，24-(第二级)透镜/反射镜，25-会聚光斑及太阳能光伏电池。

图3是采用近场光束衍射叠加的一维、一级聚光光伏***的光学设计示意图。图中，31-入射太阳光，32-前窗，33-柱面反射镜列阵，34-抛物形柱面，35-会聚光斑及太阳能光伏电池。

图4是采用近场光束衍射叠加的二维、一级聚光光伏***的光学设计示意图，子镜阵列靠近前窗。图中，41-入射太阳光，42-前窗，43-透镜/反射镜列阵，43a-透镜/反射镜列阵(正面视图)，44-抛物形主镜(凸透镜或凹面反射镜)，45-会聚光斑及太阳能光伏电池，45a-会聚光斑及太阳能光伏电池(正面视图)，F-主镜焦距，Δ-列阵与主镜间距。

图5是采用近场光束衍射叠加的二维、两级聚光光伏***的光学设计示意图，子镜阵列是作为主透镜后的第二级光学元件。图中，51-入射太阳光，52-前窗，53-抛物形主镜(凸透镜或凹面反射镜)，54-透镜/反射镜列阵，54a-透镜/反射镜列阵(正面视图)，55-会聚光斑及太阳能光伏电池，55a-会聚光斑及太阳能光伏电池(正面视图)，F-主镜焦距，Δ-列阵与主镜间距。

图6是显示采用近场光束衍射叠加的聚光光伏***不受子镜阵列位置偏移或偏差的影响的示意图。图中，61-入射太阳光，62-主透镜/反射镜，63-沿Y轴偏离的光阑，64-透镜/反射镜列阵，65-从不同子镜互补区域的光线会形成一个完整的光斑。

图7是采用近场光束衍射叠加的一维、一级聚光光伏***的示意图。为图示方便，前窗没有给出示意图。图中，71-入射太阳光，72-排列在抛物形柱面上的反射镜列阵，73-抛物形柱面，74-会聚光斑及太阳能光伏电池。

图8是采用近场光束衍射叠加的一维、两级聚光光伏***的示意图，子镜阵列位置靠近前窗。图中，81-入射太阳光，82-抛物形柱透镜列阵及前窗，83-主反射柱面镜，84-二级反射柱面镜/平面镜，85-会聚光斑及太阳能光伏电池。

图9是采用近场光束衍射叠加的一维、两级聚光光伏***的示意图，子镜阵列是作为第二级光学元件。为图示方便，前窗没有给出示意图。图中，91-入射太阳光，92-主反射柱面镜，93-抛物形柱面反射镜列阵，94-会聚光斑及太阳能光伏电池。

图10是采用近场光束衍射叠加的二维、两级聚光光伏***的示意图，子镜阵列位置靠近前窗。图中，101-入射太阳光，102-抛物形透镜列阵及前窗，103-抛物形主反射镜，104-抛物形二级反射镜，105-会聚光斑及太阳能光伏电池。

图11是采用近场光束衍射叠加的二维、两级聚光光伏***的示意图，子镜阵列是作为第二级光学元件。为图示方便，前窗没有给出示意图。图中，111-入射太阳光，112-抛物形主反射镜，113-抛物形反射镜列阵，114-会聚光斑及太阳能光伏电池。

图12是显示图11***中光路示意图。图中，121-入射太阳光，122-抛物形主反射镜，123-抛物形反射镜列阵，124-会聚光斑及太阳能光伏电池。

下面结合附图对本发明的工作原理进一步说明。

传统聚光光伏的一级聚光光学***只使用一个主凸透镜或凹反射镜用于聚光(如图1所示)。而在图2示意的传统聚光光伏***两级光学设计中，主次两级光学元件的运用使得设计更加灵活，***可以采用折叠式结构来减小板的整体厚度。实际使用中，还采用透明材料的前窗以保护光学***和光伏电池。

入射太阳光通常被认为强度分步均匀。而在实际情况下，***光阑的存在及光学元件边缘效应，在高倍聚光下因较强的衍射导致会聚光斑强度分布不均匀。这在传统的高倍聚光光伏***是一个佷严重的问题，特别是在折叠式结构中。另外，由于不同聚光组件的拼接带来的聚光元件的形状不规则性或折叠式结构中的中心暗场，都会使这一问题更为严重。

本发明采用子镜阵列，绝大部分强度均匀分布的光通过子镜阵列投影叠加到主镜焦面，光阑边缘的光或(折叠式结构中的)中心暗场也被不同的子镜投影到主镜焦面。来自不同子镜的光线聚焦后再叠加，这起到了一定的“抹平”作用，使得主镜焦面光场分布比用传统聚光***的直接聚光均匀。由于使用抛物形或近抛物形非球面的成像透镜或反射镜，太阳光经过子镜阵列的衍射光束后在主棱镜或主反射镜的焦点处具有相同的横截面。太阳光是多色光，在所有光学元件的尺寸都远远大于太阳光平均波长的情况下，也可以认为太阳光是非相干光。太阳光经过子镜阵列衍射后的多个光束可以直接非相干叠加，而不会互相干扰，从而在光伏电池上产生和子镜形状相似的均匀聚焦光斑。

本发明的关键是利用近场光束衍射叠加，这就要求子镜阵列和光束会聚叠加面的距离满足近场衍射条件。衍射条件可用菲涅耳数来表示，近场衍射必须满足菲涅耳数大于或等于一，即：

$F_{\#}=\frac{d^2}{L_e\mathrm{\λ}}\≥1$ (更严格的近场条件要求F_#＞10)                                    (公式1)

公式1中d是阵列中单个子镜的尺寸大小，通常大于1毫米。λ是太阳光的平均波长，一般是0.5到1微米。L_e是子镜阵列和光束叠加面之间的有效光程，可以表示为(A/B-1/R)^-1。其中，A和B是子镜阵列到光束叠加面的光线矩阵元，R是到达子镜阵列的光线会聚/发散的曲率半径。简单来讲，在近场衍射条件下，太阳光通过阵列中每个子镜在叠加面产生的衍射图案几乎是子镜形状按照一定比例的几何投影。

在满足近场衍射条件下，子镜阵列可以放在聚光***的前窗附近、或单独作为第一级或第二级光学元件。几种常见的光学设计的原理图如图3，4，5所示。图3是采用近场光束衍射叠加的一维、一级聚光光伏***的光学设计示意图。图4是采用近场光束衍射叠加的一维、两级聚光光伏***的光学设计示意图，其中子镜阵列是靠近前窗作为第一级光学元件。图5是采用近场光束衍射叠加的二维、两级聚光光伏***的光学设计示意图，其中子镜阵列是作为主透镜后的第二级光学元件。下面结合图4和图5，对聚光光伏***中的近场光束衍射叠加方法进行定量分析。近场衍射传输可以用几何光学来描述。在图4中，子镜阵列位于主透镜的前面，聚焦光斑在X和Y方向的尺寸可以表示为

$X=\left|\frac{F}{f}\right|\·d_x$ 以及 $Y=\left|\frac{F}{f}\right|\·d_y$ (公式2)

在图5中，子镜阵列位于主透镜的后面，聚焦光斑在X和Y方向的尺寸可以表示为

$X=\left|\frac{F-\mathrm{\Δ}}{f}\right|\·d_x$ 以及 $Y=\left|\frac{F-\mathrm{\Δ}}{f}\right|\·d_y$ (公式3)

其中f是阵列中每个子镜的焦距，F是主透镜或主反射镜的焦距，d_x和d_y是阵列中的子镜在X和Y方向上的尺寸，Δ是子镜阵列和主透镜或主反射镜之间的距离。从公式2和公式3能够看出，聚焦光斑的尺寸可以用多个参数进行调节。在图4的***中，聚焦光斑的尺寸和Δ无关，从而导致***更简单和稳定。而图5的***受Δ影响，同时也增加了***调节的灵活性。

图6是显示采用近场光束衍射叠加的聚光光伏***不受子镜阵列位置偏移或偏差的影响的示意图。这也等效显示了本发明的设计受***位置偏差和入射太阳光不均匀的负面影响比聚光光伏***中的传统光学设计要小。光学***中的偏移可以用有效光阑来描述，子镜阵列不受X和Y方向的偏移和光阑误差的影响。如图6所示，当阵列位置出现偏差，来自阵列上方的子镜衍射斑刚好可以和下方的互补或部分互补，从而在光伏电池上形成均匀的聚光，这是单镜所达不到的。所以使用子镜阵列实现近场光束衍射叠加导致***不受X和Y方向偏移或偏差的影响。

在本发明中，光伏电池在光轴上的位置如果发生偏移，只要在瑞利范围(Rayleigh Range)内都不会对聚光***产生影响。实际上，光伏电池不要正好放在主透镜的焦点位置，而是沿着背离整个***的有效焦点方向略偏一定距离，这样可以避免每个子镜边缘和整个阵列边缘产生的不均匀远场衍射斑。

5.具体实施方式

表一：一级近场光衍射叠加聚光的元件配置

表二：两级近场光衍射叠加聚光的元件配置

表一和表二分别列出可以实现一级和两级近场光束衍射叠加聚光的元件配置(部分图示样例包含在说明书附图中)，子镜阵列可以用在包括前窗、主透镜/主反射镜、次透镜/次反射镜的***任何一级上。更复杂的情况可以进一步进行组合，表中没有完全列出。阵列中的子镜可以采用二维抛物形或非球面透镜/反射镜、菲涅耳透镜或波带板(片)。具体来说，柱面镜用于一维***。作为前窗的透明窗可以是平面玻璃或其他透明材料。值得注意是，因为抛物形或非球面的透镜/或反射镜可以消除球形像差，一维聚光***宜采用一维抛物形/非球面的柱状透镜或反射镜，而二维聚光***应该采用二维抛物形/非球面的透镜或反射镜。菲涅耳透镜或波带板(片)也可以用来实现相似的***。

参考文献

1.Z.Schwartzman，“Solar concentrator device for photovoltaic energy generator，”United StatesPatent Application Publication，No.US 2008/0041441 A1

2.P.Y.Maeda，“Beam integration for concentrating solar collector，”United States PatentApplication Publication，No.US 2007/0251568 A1

3.X.Deng，X.Liang，Z.Chen，W.Yu，and R.Ma，“Uniform illumination of large targets usinga lens array，”Applied Optics(ISSN 0003-6935)，vol.25，Feb.1，1986，page 377-381.

Claims (12)

1.在聚光光伏发电***中，本发明采用子镜阵列将太阳光分解成数道子光束，经过近场衍射和传输，在会聚光学元件的焦点附近，也即是半导体太阳能电池的位置上，会聚叠加成为一个形状和尺寸与半导体太阳能电池匹配的均匀聚焦光斑。聚焦光斑的形状是由阵列中子镜经近场衍射传输，几乎是子镜形状按一定比例的几何投影。聚焦光斑的光强均匀性是由将整个光束在空间分成子光束再进行非相干叠加的过程来实现的。

2.权项1中，满足近场衍射传输的条件是子镜阵列和光束会聚叠加面(即光伏电池所在位置)之间所对应的菲涅耳数大于或等于一，即F_#＝d²/L_eλ≥1，(更严格的近场条件要求F_#＞10)，其中d是阵列中单个子镜的大小，λ是太阳光的平均波长，L_e是子镜阵列和光伏电池之间的有效光程。在这个条件下，太阳光通过阵列中每个子镜产生的衍射图案近似于子镜的形状按一定比例的几何投影。

3.权项1中，只要满足近场衍射传输条件，子镜阵列和会聚光学元件的距离可以在一定范围内随意调节，从而有助于整个聚光光伏***组件箱体厚度的减小。

4.权项1中，聚光光伏***可以采用一级或多级光学***。因此，会聚光学元件可以是一个主光学元件，也可以是主光学元件和一个或多个次级光学元件的组合。这里的主光学元件和次级光学元件可以是单个透镜、反射镜、菲涅耳透镜、菲涅耳反射镜、波带板(片)或是它们的组合。理想状况下，光学元件表面呈抛物面形以减少球差的影响。实际运用中也可采用近抛物的非球面光学元件，甚至球面光学元件(但球面所带来的球差会影响***性能)。

5.对于一维光学***，权项1和4中主光学元件和次级光学元件采用柱面镜，横截面呈抛物线形，实际运用中也可采用近抛物线形或圆弧形。

6.权项1中，子镜阵列是由多个相同的单元光学元件或单元光学元件的一部分组成的阵列，其中的单元光学元件称为子镜。子镜可以采用透镜、反射镜、菲涅耳透镜、菲涅耳反射镜、波带板(片)或是它们的组合。理想状况下，子镜表面呈抛物面形。实际运用中也可采用近抛物的非球面，甚至球面光学元件(但球面所带来的球差会影响***性能)。

7.对于一维光学***，权项1和6中的子镜采用柱面镜，横截面呈抛物线形，实际运用中也可采用近抛物线形或圆弧形。

8.权项1，6，7中的子镜的形状通常是长方形或正方形，但也不排除别的特殊形状。要求和光伏电池的形状相同/相似。

9.权项1，6，7中的子镜如果采用发散光学元件，包括凹透镜、凸面镜、发散菲涅耳透镜或发散菲涅耳反射镜/波带板(片)，因更好地满足近场衍射传输的条件，可更好地完成子镜形状的近几何投影。

10.权项1中的衍射光束的聚焦面即是半导体太阳能电池的位置。在实际***中也可将太阳能电池的位置在会聚光学元件的焦点位置附近沿着背离聚光***等效焦点的方向略偏离一定距离，这样可以避免每个子镜边缘和整个阵列边缘产生的远场衍射，进一步提高聚光的均匀性。

11.权项1中的子镜阵列可以放在聚光光伏***中的任何一级。在实际运用中，子镜阵列的位置可以是：作为前窗或靠近前窗，或靠近主光学元件，或作为第二级光学元件，等等。由此而产生的各种可能的设计中，权项2，3，4，5，6，7，8，9，10适用。

12.权项1中的子镜阵列也可以排列放在一个抛物面上(实际运用中也可采用近抛物的非球面，甚至球面)。在反射***中该抛物面等效起到一个透镜会聚的作用，从而构成权项1的一种简洁的设计。在这种设计中，权项2，3，4，5，6，7，8，9，10适用。

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