通过两级太阳能探索的照明均匀性
问题基于菲涅尔透镜和复合平面的聚光系统集中器
前言
本文阐述了关于两级太阳能目标上的太阳辐射分布的细节聚光器，其结合了菲涅尔透镜（FL）和复合平面集光器（CFC）。论文首先回顾一些FL开发里程碑，如两阶段系统和除了最值得注意的基于FL的太阳能应用之外，扁平与弯曲透镜的型坯，（CPV）。通过对基于FL的CPV和两级集中器的审查，这项研究导致了一个算法的发展，探讨了频谱分布的洞察太阳能聚光系统的两级（FL加CFC）接收器。它确立了使用a的潜力正确定位的右尺寸的第二级反射器，以选择性地重定向所需的光谱目标区域以便同时提高浓度通量强度和均匀性。的研究还有助于描述某些光谱段在FL目标上的大致位置面积，这对于探索通过菲涅尔透镜的光谱控制机制是有用的。
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1、简介
太阳能电池的光谱响应取决于电池材料。辐射高于和低于单元格带隙导致增加的细胞温度并且最终作为转化损失。也，在聚光光伏系统中，热点和电流在非均匀照射的太阳能电池中产生不匹配并产生在整体系统效率下降。浓度水平和照明均匀性可以通过添加适当的反射器，例如复合平面集中器（CFC）菲涅尔透镜（FL）的面积。因此，调查频谱太阳光集中的分布和照明模式在基于FL的两级太阳能集中器下可以帮助缓解聚光光伏（CPV）问题引起的非均匀性照明和光谱不匹配。
本文的目的是开发一种算法来检查光谱分布和照明模式接收器的两级太阳能聚集系统，其组合aFL和CFC。该研究从几个FL开发的审查开始包括两级集中器系统的里程碑。的审查包括平面与弯曲和成像的比较非成像透镜。成功构建和验证FL-也包括基于太阳能的光伏应用。
2、文献评论
菲涅尔透镜基于分割标准的概念透镜“连续表面变为具有相同曲率的一组面其间具有逐步不连续性。 镜头的大部分提取以形成一组平行的（对于线性聚焦透镜）或同心（用于圆形聚焦透镜）凹槽或“锯齿”。 近（2D透镜的）中心线或（3D透镜的）中心，这些锯齿几乎平行于平面。 角度的锯齿状结构朝向透镜的边缘（或边缘）增加，聚焦到原始非球面轮廓的相应部分，每个角度稍微调整以减少球面像差。每个面将入射光朝向小的聚焦区域弯曲折射。 当所有小面直接时，发生光的集中他们的光线到同一个焦点区域。
菲涅尔透镜（FL），可以采取多种形式在集中太阳能应用的最佳选择之一因为它们是轻量级的，可以增加能量密度有效地，并且可以在大规模生产中制造。 op-FLs的透射率优于厚壁透射率，透镜和FL系统所要求的太阳跟踪精度较低。
2.1 FL发展的里程碑
乔治·路易斯·勒克莱克是第一个出来的人降低透镜重量和尺寸作用于透镜表面的想法第一个FLs，扁平，由玻璃制成，用作在灯塔的准直器bya法国数学家和物理学家，Augustin-Jean Fresnel，1820年[1]。聚 - 甲基丙烯酸甲酯（PMMA）启动了使用FLs的严重尝试太阳能集中。 PMMA是清澈，稳定，重量轻的聚合物具有接近玻璃的光学特性。其中，cial透射率匹配太阳光谱及其折射指数约为1.49 [2]。材料;其可以被切割，挤出，压模，注塑;在阳光下耐用，稳定高达80 C，适合生产FLs。Miller et al。 [3]
据说，做了第一个高精度塑料FL的表面质量良好的1951年透镜通过精密模制和锯齿校正为约0.003 00 e0.005 00（即0.1mm范围内）几乎看不到肉眼。这些轻重量镜头2.5 00 e22.5 00焦距为直径2 00 e15 00。他们中有一些具有超过G / 1.0的相对孔径。可以使用这些镜头作为寻像器中的场透镜，相机观看屏幕和半透明屏幕投影。
后期进行了FLs的重大调查20世纪70年代到80年代初，镜头成为了焦点集中光伏发电[4e6]。
2.1.1平面对曲线
当太阳能跟踪精确执行时，第一面入射平面FL上的角度总是为零，并且没有观察到折射。折射的负担完全在第二面。镜头具有比那些更大的第二面入射角较小的两个主要原因：
◆更大的入射角倾向于产生更严重的光束扩散或色差。部分通量可能漏掉指定目标区域并因此丢失。
◆当来自更密集介质（例如，玻璃折射率n）到较低密度（例如空气或真空）总和内部反射，其防止通量逸出透镜，可以发生在入射角大于sin 1（1 /〜n）时。
Cosby [7]和Hasting et al。 [8]发现FL的光学/当透镜的基部弯曲时，形状改善。事实上，FL的所需目标宽度通常降低，聚焦随着透镜曲率的增加而增加[9]。基于计算和光学传感器分析的集中通量平坦和基于曲线的点聚焦FL，詹姆斯和威廉姆斯[10]结合更多的第一面折射，可以减少TIR（全内反射）和chro-从而允许使用更小的单元。在此外，基于曲面的透镜可以具有更多的设计自由度第一面折射可以被视为设计参数，并且从而消除了对更大的第二面入射角的需要。当棱镜到达时发生最大透射最小偏差，当入射光束发生入射面的入射角等于光束的折射
出射面的角度。角度和角度的小变化，棱镜对光束的影响最小，在最小偏离条件下的转动角度，透镜制造和系统构造中的误差被最小化，同时透镜的聚焦功率最大化[11]。叶[12]已经确定了基于椭圆的FL的曲率密切重复最小偏差条件，从而使镜头最大传输。这项研究集中在性能建模和分析基于曲线的2D FLs。
2.1.2两级系统
在FL的焦点区域中添加合适的反射器增强了系统的浓度水平。这种两级FL太阳能聚集系统于1970年中期出现，当时变得更具吸引力浓度比图像形成更重要。
Collares-Pereira et al。 [13]描述了FLecompound的设计双曲面镜组合，有助于实现最大化浓度。随着镜头的适当选择，双曲线反射器可以用更容易制造的V-在2D情况下（线聚焦透镜）或3D情况下的圆锥（点聚焦）镜片）。构建原型FL加V槽以分析2D镜头组合的光学性能及其太阳能应用适用性。 Collares-Pereira [4]后来研究了一个两阶段集电极结合线性FL和复合抛物线集中器（CPC）。结果表明FL可以匹配近乎理想的CPC，其具有的高度与孔径比接近统一。作为附加的益处，透镜作为保护的盖子收集器从环境条件。
Ning et al。 [14]使用计算机化光线跟踪程序研究两级光伏并网的光学性能中心，其结合FL和电介质内反射集中器。两级装置具有更高的浓度，增加的接收角和更均匀的辐射与焦点FL相比在焦点区域中的分布单独。 Terao et al。 [15]提出了一级/二级透镜组合用于平板CPV电源系统。他们用非球面和全内反射（TIR）透镜以减少焦点长度和系统的深度。光线跟踪模拟结果表明接收角超过plusmn;2.6% ， 哪一个减少了对准确跟踪和跟踪的需求成本。
本研究旨在设计一个两级太阳能集中器结合FL和CFC来演示这样的系统如何有助于提高CPV应用程序的性能提高集中率和更易于管理的光谱分配。
2.2光伏应用
轻型塑料FL已被考虑用于CPV应用自20世纪60年代Oshida [16]调查了FLs的应用
光谱分布的考虑。 1977年，Harmon [17]演示了确定效率的方法，张力的一个点聚焦FL，并发现它足够低中心光伏应用。
Donovan et al。 [18]设计a光伏聚光器阵列在1978年使用丙烯酸FL将太阳光聚集在高强度太阳能电池上。主要设计方面，由团队确定，是集中率;的透镜的尺寸和形状，阵列和结构;以及系统的跟踪，控制，操作和维护。ONeil [19]在1978年获得了一个弯曲FL的专利圆顶形表面沿着一组并排的棱镜曲线在内表面上以将入射光引导到公共区域。后来，他[20]获得了一个与柱面透镜结合的线性FL的专利将太阳光聚集在一系列光伏电池上以获得直接电力。卫星和航天器依靠太阳能电池板来获得电能电源自1958年推出Vanguard 1，第一颗卫星使用太阳能电池。
1988年，ONeil和Piszczor [21]报道了一个低点使用GaAs电池和棱柱形电池盖的质量系统基于FL概念。系统效率达到24.2％空间电池在25 C在100 AM0太阳，和29.3％的效率地面单结电池C在200 AM1.5太阳。
1991年，ONeil等人报道了一种线性FL光伏电池，trator技术，他们介绍和讨论了pa-参数和300 kW系统的测量性能改进的20 kW PVUSA“新兴技术”系统。 Fol-由于一系列的改进，ONeil和他的团队获得第四代浓缩器的显着改进模块制造技术[22]。
Piszczor et al。 [23]提出了一个空间导向的系统组合折射线性光伏聚光器阵列与a线聚焦GaAs / GaSb串联电池接收器。集中器阵列可以通过卷对卷工艺制造。接收机使用了a第二光学装置指向远离细胞的光线相交并提供对集中辐射的细胞保护。的系统只需要单轴太阳能跟踪并具有高阵列效率。
2001年，ONeill [24]开发了一个拉伸透镜的原型阵列（SLA）太阳能聚光器。该装置由附接到末端的拉伸膜FL组成支持，帮助镜头保持其位置和形状。透镜结构由于消除了需要一种脆弱的透镜支撑玻璃覆板。的面板的总面积质量（包括透镜，电池接收器和石墨布复合散热器）为0.99kg / m 2。原型SLA板，其在室温下在AM0下测试，达到375W / m 2面积功率记录（净效率为27.4％），其等于378W / kg的记录比功率。结果a2003测试测量SLA系统超过27％的净AM0及以上30％净AM1太阳能到电气转换效率。相比传统的平面光伏阵列，SLA提供180 W / kg的特定功率，通过使用85％更便宜的更低的成本太阳能电池材料。
2.2.1光谱分束
在20世纪50年代中期，Jackson [25]提出了分裂的概念太阳光谱，并将每个段直接到其适当的转换器。的这个概念的第一个实验工作由月球证明。 [26]在20世纪70年代末。由于增加的转换效率，通过光谱分裂实现的效率和设计灵活性CPV的领域自那时以来已经显着地发展。
光束分裂，这是尚未进展到商业水平有望实现高效太阳能转换[27]多结CPV应用。理论上，将谱分为多个段和引导每个到它的匹配单元，sion效率。然而，赵和的研究盛[28,29]表明增加的复杂性段数导致较低的总效率。作为sug-由Xiong等人[30]，当分成太多的乐队时包括镜面反射损耗，非理想的截止损耗，截止波长，以及从反射到反射的倾斜跃迁，任务可能侵蚀系统的总效率。
2.2.2非均匀照明问题
正如詹姆斯和威廉姆斯[7] 1978年指出的那样，经济CPV系统的可行性依赖于高的细胞转化效率，高光学效率和低结构成本（其可以降低通过增加跟踪误差容限）。另外，聚光太阳能电池的效率在照明时可能下降非均匀通量。
N. Yeh / Energy 95（2016）542e549 544非均匀的入射通量，引起热点和电流失配，降低总体系统效率，电源是当前CPV技术的问题。一些CPV系统由非均匀磁通引起的功能问题有关太阳能电池的电性能。最大电流在PV电池中是短路电流（I sc）和最大值电压是开路电压（V oc）。填充因子（FF）定义为从太阳能电池到产品的最大功率的比率的V oc和I sc。电流对应于V oc和电压对应于I sc都是零，因此产生零功率输出。然而，在非均匀照明的电池中，即使在开路条件下也会发生内部电流。的电流量与辐照度成正比不均匀程度[31]。
由于聚光太阳能电池的薄扩散层（〜10-6微米），在非均匀照明下的电池的V oc主要受到影响电池面积和薄层电阻率。不均匀性产生电荷密度梯度，其引起横向电流发射器和V oc压降。 Gopal et al。 [32]研究了其效果光伏衰减并观察到非均匀时V oc下降照明，因为V oc由表面电压调制由发射极区的薄层电阻率引起。
Goma et al。 [33]使用3D透镜聚光器研究效果的浓度分布对电池性能的影响。他们计算 - 在两个均匀的情况下作为薄层电阻的函数和不均匀照射并发现不均匀仿真结果与实际情况吻合良好随着薄层电阻的增加更显着。研究结论由Herrero等人管理。 [34]关于非均匀性的影响多结电池也表明填充factoisecreases增加的不均匀性。
本文将通过本文开发的模型展示研究如何在FL聚光器下的第二阶反射器可以提高照明的均匀性。
3、基于FL / CFC的两级集中器的光线跟踪系统
本节介绍了两级集中器通孔的设计基于斯涅尔定律的透镜和规则的射线跟踪技术的第二级反射器的反射。 图1描绘了两个圣人太阳能聚光装置，其使用CFC作为第二级集中器。
小面的放大部分的绘图（即，小面m）在FL上，示出了入射的光路径和出镜头。给定棱面角m（q m）和阳光入射在面m处的角度（4i m），下面的等式可以通过下式获得应用斯奈尔定律。 扩展以前的研究[35]来观察：
透射辐射的分数控制能量利用率，能力在FL的焦点区域。 传输损耗主要发生通过吸收和反射，这是由反射率或反射率。 s极化（R s mn）和在面m的第一和第二面上的p偏振光（R p mn）对于波长n分别为[36]：
太阳光到达地球表面的分量的范围为10 2 nm至10 6 nm。 范围通常可以分割进入UVB（280e315nm），UVA（315e400），可见光（400e700nm）和红外（IR-A：700e1400nm; IR-B：1400e3000nm）[37]。 光伏和热电偶的有用频带，恶劣应用覆盖290nm至约2250nm内的范围，其列于表1中。吸收的辐射的分数由光控制透射率。 频谱段的透射系数n on facet m（T mn）是入射面透射率的乘积因子（T mn 1），出射面透射系数eth;T mn 2THORN;，任务因子（T b n）。 其中PMMA的波长依赖性T b n列于表1，且：
FL上的每个锯齿都像一个独立的棱镜将入射的太阳光折射到指定区域。 磁
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