摘要：针对菲涅尔透镜存在实际光学效率偏低的问题，本文设计了一种由非球面透镜和棒锥镜组成的高效非成像聚光光学系统。在光学设计软件Zemax的序列模式下对非球面透镜进行了优化设计，通过最大程度地减小球差，像面光斑的几何半径从42 mm降到了1.7 mm。基于此，在Zemax的非序列模式下，完成了非球面透镜和棒锥镜的建模和优化，通过蒙特卡罗光线追迹分析实现了光学效率为87%、接收角为0.9° 的非成像聚光光学系统。最后，基于非球面透镜阵列和棒锥镜样品，实现了高倍聚光型光伏模组的封装与测试。测试结果表明，该模组的光电转换效率达30.03%，与菲涅尔透镜构成的高倍聚光型光伏模组相比有显著提升。 1 引言 当前，聚光型光伏发电技术被认为是最有可能降低发电成本的技术之一。聚光型光伏发电技术用聚光器把大面积的阳光会聚到小面积的光伏电池表面，实现用廉价的光学材料代替昂贵的光伏电池材料的目的，适合应用于太阳直接辐射强度高的区域。聚光器的选型与优化设计是聚光型光伏领域必须解决的关键问题之一。菲涅尔透镜具有轻薄、低成本的特点，从而成为聚光型光伏领域聚光器的首选。付蕊等开发出一种高效均匀聚光菲涅尔透镜，聚光效率大于80%，在此基础上集成的聚光型光伏模组效率达27.9%。Ferrer-Rodríguez等研究了菲涅尔透镜与不同二次聚光器组成的高倍聚光系统对聚光型光伏模组效率的影响，聚光模组的最高效率达到了28%。 菲涅尔透镜从原理上可以达到较高的光学效率，但是由于圆角散射、脱模形变、齿根遮光等加工工艺条件的限制，实际运行时光学效率会大幅降低，限制了聚光型光伏模组光电转换效率的进一步提升。非球面透镜不存在此类加工工艺限制，且非球面面型可以有效降低像差、提升聚光效率。为此，本文创新性地提出用非球面透镜来代替菲涅尔透镜的理念，设计了一种由非球面透镜和棒锥镜组成的高效非成像聚光光学系统。在此基础上，集成微型三结砷化镓光伏电池，实现了高倍聚光型光伏模组样机的研制与性能分析。 2 工作原理 基于非球面透镜的高效非成像聚光光学系统由作为主聚光器的非球面透镜和作为二次聚光器的棒锥镜组成，入射光线被非球面透镜会聚到棒锥镜的上端面，经棒锥镜的二次会聚入射到光伏电池的表面，如图1所示。主聚光器的面积和光伏电池的面积之比称为几何聚光比，几何聚光比与非成像聚光光学系统的光学效率乘积称为能量聚光比，能量聚光比越高代表光伏电池表面能量密度越高，最佳能量聚光比的设计根据光伏电池的聚光特性而定。当前，高倍聚光型光伏模组普遍采用边长为5.5mm或者10mm的多结砷化镓光伏电池，最佳能量聚光比一般都在几百倍甚至上千倍，相应主聚光器孔径在十几到几十厘米，在保证合理厚度的前提下只能选用菲涅尔透镜。为了实现非球面透镜取代菲涅尔透镜，并且，厚度控制在合理范围，必须缩小光伏电池的尺寸。为此，我们开发出了直径只有2.5mm微型三结砷化镓光伏电池，图2为该光伏电池的截面图。 图3为该微型三结砷化镓光伏电池的光电转换效率随能量聚光比变化曲线，可知，该电池在能量聚光比为330倍时，光电转换效率可以达到最大值。非成像聚光光学系统包含非球面透镜和棒锥镜两个光学元件，即四个光学界面，系统理想的光学效率在84%左右，考虑加工误差和聚光模组的封装、对准误差，有效的光学效率大约在80%左右。因此，高倍聚光型光伏模组的几何聚光比约为413倍，考虑高倍聚光型光伏模组的封装要求，非球面透镜要切成正方形再胶合成阵列结构，所以非球面透镜的孔径D应为64mm，切割后的内接正方形非球面透镜的边长为45mm。
图1.高效非成像聚光光学系统原理图
图2.微型三结砷化镓光伏电池截面图
图3.微型三结砷化镓光伏电池光电转换
图4.初始结构聚焦光斑点列图
图5.非球面透镜聚焦光斑点列图 ...... 6 结论 非球面透镜可以大幅减小系统球差，改善成像像质，减小像面光斑的几何半径，结合优化的棒锥镜可以实现非成像聚光光学系统聚光效率的大幅提升，同时，可以增大高倍聚光光伏系统的接收角，改善光伏电池表面辐照度分布的均匀性，显著提升高倍聚光型光伏模组的光电转换效率。然而，由于客观原因多结砷化镓光伏电池的几何尺寸仍然偏大，在保证一定能量聚光比的条件下，非球面透镜孔径无法进一步降低，厚度仍然偏厚，不利于实际工程应用。未来，随着多结砷化镓光伏电池进一步小型化和非球面透镜阵列模压技术的进一步成熟，这种由非球面透镜和棒锥镜组成的高效非成像聚光光学系统在高倍聚光型光伏发电领域将会有广阔的应用前景。 |
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