【導(dǎo)讀】自人類社會(huì)誕生以來，能源一直是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。機(jī)問題，更加明顯地把能源置于社會(huì)發(fā)展的首要地位。隨著化石能源的逐步消耗以及化。人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的新能源和可再生能源成為人類急切需要解決的問題。風(fēng)能、小水電、地?zé)崮芤约昂Ｑ竽艿纫淮文茉础ＶZ貝爾獎(jiǎng)獲得者美國RiceUniversity. 而到21世紀(jì)中葉，其比。例將減少到人類使用能源的一半，達(dá)到其極值，之后核能和可再生能源將占主導(dǎo)地位。到2100年時(shí)，可再生能源將占人類使用能源的l/3以上[1]。

　　

【正文】 的均勻性要求可以降低，有利于降低系統(tǒng)的成本。 3)可以在大的硅片上制造很多單個(gè)電池，利用合理的方法切成適當(dāng)?shù)某叽?，有利于大量生產(chǎn)。 4)垂直結(jié)太陽能電池的開路電壓要比平面結(jié)電池的高一些。 5)采用特殊的結(jié)構(gòu)提高了電池的收集效率，使它具有比平面結(jié)電池更高的短路電流。 6)配合光熱的綜合利用，可 以使整個(gè)系統(tǒng)的成本進(jìn)一步降低。 聚光砷化鎵太陽能電池 在聚光方陣中采用砷化鎵 (GaAs)電池是降低成本的另一個(gè)途徑。 GaAs的禁帶寬度為 ，與硅相比，其禁帶寬度與太陽光譜更匹配，是一種較理想的制造高效率太陽能電池的材料。 其次， GaAs的溫度特性較好。在一定的溫度范圍內(nèi)，太陽能電池的效率隨溫度的變化呈線性關(guān)系，溫度的升高會(huì)引起開路電壓下降，短路電流稍有上升，電池轉(zhuǎn)換效率下降。 GaAs電池效率的溫度系 數(shù)大約是 ％ /? C，而 Si電池的溫度系數(shù)大約是 ％/? C， 200℃高溫時(shí)， GaAs電池還能工作，而 Si電池光電轉(zhuǎn)換效率幾乎為零 [26]。因此，砷化鎵電池可以在很高的光強(qiáng)下工作，如超過 1000個(gè)太陽，開路電壓要比硅太陽能電池高約 1V。圖 3． 3是典型的聚光砷化鎵太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 28 頁 共 42 頁 圖 砷化鎵太陽能電池結(jié)構(gòu)圖 窗口材料砷化鎵鋁，砷化鎵電池的窗口材料通常采用液相外延的工藝制成，它的厚度要影響陽光中光子的穿透，過后的 AIGaAs層導(dǎo)致較低的收 集效率。所以工作在低光強(qiáng)下的砷化鎵電池通常采用較薄的 A1GaAs層 (1 m? )，以減少光吸收。但是工作在高光強(qiáng)下的砷化鎵電池必須考慮到另一個(gè)重要的因素，即盡可能使電池具有極小的串聯(lián)電阻。AIGaAs層以及 P型砷化鎵的厚度是決定串聯(lián)電阻的主要部分一薄層電阻的主要因素。因此，適當(dāng)提高 A1GaAs層的厚度是提高電池性能的方法之一。 各種聚光器在太陽能電池中的應(yīng)用 聚光器是聚光系統(tǒng)的主要組成部分，也是聚光太陽能電池研究的關(guān)鍵技 術(shù)之一，研制太陽能利用中的聚光器對(duì)提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率具有重大意義。聚光器應(yīng)用于太陽能電池的嘗試開始于 20世紀(jì) 60年代初，為了不斷降低硅太陽能電池的成本，人們對(duì)聚光器在太陽能電池上的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究。 用于聚光太陽能電池方陣的聚光器種類很多，以光學(xué)原理的不同可分為折射式聚光器、反射式聚光器、熒光聚光器、熱光伏聚光器和全息聚光器等。折射聚光器的元件可以是菲涅爾或普通透鏡。反射聚光器包括平板、拋物槽、組合拋物面等，用在光伏反射聚光器中兩種主要反射鏡材料是鍍銀玻璃和鍍鋁面。在熱光伏聚光器中，太陽把 一個(gè)輻射器加熱到高溫，然后輻射器再發(fā)出輻射到太陽能電池上，電池不能利用的長波輻射重新回到輻射器，理論上可以達(dá)到很高的效率 [26]。熒光聚光器和全息聚光器是兩種尚未成熟的技術(shù)。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 29 頁 共 42 頁 以聚焦特性，聚光器可分為點(diǎn)聚光器和線聚光器。線聚光器，包括條形透鏡、拋物槽、線聚光組合拋物面等。點(diǎn)聚光器也叫軸向聚光器，在這類聚光器中，用以聚光的透鏡或反射鏡和太陽能電池處于同一條光學(xué)軸線上 [27]。不同的聚光器應(yīng)用于太陽能電池聚光系統(tǒng)中具有各自不同的特點(diǎn)。 本章小結(jié) 聚光太陽能電池的的研究對(duì)太陽能發(fā)電具有重大意義， 在聚光光伏系統(tǒng)中，以價(jià)廉 的聚光器部分代替昂貴的太陽能電池，從而大大降低了成本。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 30 頁 共 42 頁 4 菲涅爾透鏡太陽能聚光器 通過分析已經(jīng)知道，聚光太陽能電池具有較高的轉(zhuǎn)換效率，下面就來研究菲涅爾透鏡太陽能聚光器，就其提出一些能夠提高轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵技術(shù)。 隨著光學(xué)有機(jī)樹脂的發(fā)展，制造光學(xué)透鏡的成本也開始大大降低，目前一般用 PMMA材料 (聚甲基丙烯酸甲酯 )制作菲涅爾透鏡，該材料具有耐沖擊 ﹑ 強(qiáng)度高、相對(duì)密度小、透過率高 (在太陽光譜的 ～ 2 m? 范圍內(nèi)透過率達(dá) 92％以上 )、光學(xué)性能優(yōu)良、抗老化、成型工藝簡單、產(chǎn)品成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此選用菲涅爾透鏡作為聚光太陽能電池的聚光器能有效地提高電池轉(zhuǎn)換效率，降低成本。 菲涅爾透鏡原理及特點(diǎn) 菲涅爾透鏡的光學(xué)原理 菲涅爾透鏡一般是有一系列同心棱形槽構(gòu)成，每個(gè)環(huán)節(jié)都相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的折射面，這些棱形環(huán)帶都能使入射光線會(huì)聚到一個(gè)共同的焦點(diǎn)，其形成原理見圖 所示。當(dāng)棱形槽按一組平行直線配置時(shí)，即為線聚焦太陽能聚光器。因此，菲涅爾透鏡按聚焦方式 分為點(diǎn)聚焦和線聚焦兩種類型。 圖 菲涅爾透鏡的形成原理 國際上經(jīng)過十多年的研究，目前主要集中發(fā)展的是薄型菲涅爾透鏡。這種透鏡的基本優(yōu)點(diǎn)是可以做得很薄 (如 — )，因而很輕，制造也簡單，成本低。菲涅爾透鏡表面通常壓有槽溝，它可以設(shè)計(jì)成點(diǎn)聚焦式的 (圓槽溝 )或線聚焦式的 (直線槽溝 )，其形狀有平板形、圓柱面形 (僅線聚焦式 )和小球面形 (僅點(diǎn)聚焦式 )。槽溝可以壓在光線入射面上或出射面上，或者兩面都有，還有在表面鍍減反射膜的。出射面壓槽溝的透鏡，光清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 31 頁 共 42 頁 學(xué)效率最高 [28]。我們主要研究出射面有槽溝的平板形 菲涅爾透鏡的光學(xué)問題。 圖 。尖劈透鏡元的頂角為 ? ，透鏡材料折射率為n ，兩邊是空氣。光線在入射面上 (用 N1表示其法線 )的入射角為 1? ，然后在透鏡內(nèi)以折射角 2? 折射，光線投射到出射面上 (用 N2表示其法線 )的入射角為 3? ，出射后的折射角為 4? ，透射光線與入射光線的夾角即光線的偏向角為 ? 。 由折射定律 21 sinsin ?? nn ?? ， n? =1得： ??????? n 12 s inarc s in ?? 有三角形關(guān)系可知 ???? ??? 32 ??? ?? 所以： 32 ???? ??? () ?????????? n 123 s ina r c s in ????? () 又 43 sinsin ?? nn ?? ， 且 n? =1，代入式 ()求得： ? ? ???????? ?????? ????????? nnn 134 s i na r c s i ns i na r c s i ns i na r c s i n ???? （ ） 由外角公式知： ? ? ? ? ? ?32413421 ????????? ???????? 把式 ()代入上式得： ???? ??? 41 把式 ()代入上式得： ?????????????? ?????????? nn 11 s i na r c s i ns i na r c s i n ????? （ ） 當(dāng)光線正入射時(shí) (θ 1=0? )： ? ? ??? ?? s ina rc s in n （ ） 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 32 頁 共 42 頁 由此表明，入射光線的偏向角 ? 由入射面上的入射角 1? ，透鏡元頂角 ? 和折射率 n 所確定。反之 ，根據(jù)所需的偏向角 ? 、設(shè)定的入射角 1? 和已知的透鏡折射率 n ，就可以通過迭代法求解式 ()確定尖劈頂角 ? 。 圖 菲涅爾透鏡截面圖 菲涅爾透鏡的特點(diǎn)及影響因素 (1)聚焦特點(diǎn) 菲涅爾透鏡的每個(gè)環(huán)帶都是一個(gè)獨(dú)立的折射面，因而能消除球差，能很好的聚集光線。從外觀上來說，菲涅爾透鏡是凸透鏡的一種簡化，有效地減輕了透鏡的整體重量。結(jié)構(gòu)小巧，重量輕且易于操控。 (2)成像特點(diǎn) 菲涅爾透鏡有非球面透鏡的作用：在平行光垂直入射情況下，在其焦面上能得到一個(gè)無像差的會(huì)聚點(diǎn)，但對(duì)于軸外點(diǎn)像差較大。作為準(zhǔn)直透鏡，表現(xiàn)在物方焦平面上軸外一點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)過透鏡后不是絕對(duì)的平行光，而是有一定的空間發(fā)散角。作為聚光透鏡則表現(xiàn)為斜入射平行光經(jīng)過透鏡后得到的不是一個(gè)理 想無像差會(huì)聚點(diǎn)，而是一個(gè)有一定大小的彌散斑。傾斜的角度越大，彌散斑越大 [29]。 (3)影響因素 1)菲涅爾透鏡表面的槽多為棱鏡，棱鏡的兩面全部為平面，這種結(jié)構(gòu)在平行光線的照射下，其形成的焦點(diǎn)是一個(gè)焦斑； 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 33 頁 共 42 頁 2)由于薄片透鏡薄而輕，制造和使用過程，很難保證其平面度，稍有變形易造成光線散焦。該缺點(diǎn)使菲涅爾透鏡直徑至今難以做大，影響應(yīng)用范圍。 用于聚光太陽能電池的柱面菲涅爾透鏡 菲涅爾透鏡作為透鏡的一種，在不同的應(yīng)用場合，其光學(xué)性能的側(cè)重點(diǎn)是不同的，要求是：盡可能充分地利用入射陽光，有較高的光學(xué)效率和較 均勻的光強(qiáng)分布，并力求結(jié)構(gòu)合理和便于加工。如果光強(qiáng)分布不均勻，高光強(qiáng)照射的那部分電池，將產(chǎn)生較大的光電流，在該部分材料上便會(huì)有較大的能量損失，同時(shí)電池結(jié)溫也較高，因而開路電壓下降，上述因素將導(dǎo)致太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的降低。 線聚焦透鏡的光學(xué)效率分析 按聚焦方式的不同，菲涅爾透鏡有點(diǎn)聚焦和線聚焦兩類。對(duì)菲涅爾聚光透鏡的理論分析表明 [30]，通常情況下，線聚焦比點(diǎn)聚焦有更高的光學(xué)效率，且線聚焦透鏡允許在縱向有較大的接收角。下面我們來分析平板形線聚焦透鏡的光學(xué)效率。 正入射的太陽光經(jīng)過透鏡投射到太 陽能電池上的平均能流密度 cE 可表達(dá)為為：fc cEE ?? （ ） 其中 fE 是正入射到透鏡上的太陽輻射能流密度。 c 是透鏡的幾何聚光比， ? 是透鏡的光學(xué)效率，它與光在透鏡中和界面上傳輸所產(chǎn)生的光學(xué)損失有關(guān)。 透鏡的光學(xué)損失，主要是入射面和出射面上的反射損失，當(dāng)僅考慮兩個(gè)界面上的反射損失，所得的光學(xué)效率稱為理想光學(xué)效率。由界面上的反射折射關(guān)系得知，對(duì)于給定的透鏡材料，界面上太陽光的輻射能流透射率隨入射角而變化： ? ? ? ? ? ? ? ?2s i ns i nt a nt a n1 212122212212 ?????? ??????? ????????T （ ） 這里 1? 和 2? 分別是入射角和折射角，如圖 所示的幾何關(guān)系，對(duì)于出射面而言，入射角和折射角則是 3? 和 4? 。 當(dāng)光線正入射時(shí)，能流透射率則為： ? ?214nnT ?? （ ） 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 34 頁 共 42 頁 所以，當(dāng)考慮太陽光正入射的情形時(shí)，光線通過透鏡平坦入射面的能流透過率 2T 可由式()確定。對(duì)于透鏡的出射面，因槽溝的尖劈角隨位置變化，不同槽溝出射面的能流透射率是不同的，整塊透鏡出射面的平均能流透射率 2T 則可以表達(dá)成： ?? ??? Ni iNi ii llTT 112 （ ） 其中 iT 是第 i 槽溝出射面的能流透射率，可由式 ()確定， il 是第 i 槽溝的寬度。透鏡的理想光學(xué)效率 0? 就為： 210 TT?? （ ） 圖 示出了線聚焦理想光學(xué)效率 0? 與孔徑角 ? 的關(guān)系，這里取 n =。 圖 線性菲涅爾透鏡理想光學(xué)效率隨孔徑角的變化關(guān)系 由此可見，透鏡的折射率越高，孔徑角越大，光學(xué)效率就越低。此外，因透鏡邊緣槽溝的尖劈頂角比中部的大，邊緣的光學(xué)損失要比中部高，太陽能電池上的輻射能流密度分布也將是中間高兩邊低。當(dāng)孔徑角較大，使得邊緣槽溝的尖 劈頂角接近或超過出射面的全反射臨界角 c? 時(shí) ( c? ? ?n1arcsin? )，這種不均勻分布將更加突出。因此，為了提高透鏡光學(xué)效率，需要降低透鏡邊緣部分的光學(xué)損失。 柱面菲涅爾透鏡 由上述分析，平板形線性菲涅爾透鏡的邊緣光學(xué)損失較大，假如把平板入射面改為清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 35 頁 共 42 頁 圓柱面，從而使邊緣槽溝入 射面和出射面上的入射角 1? 和 3? 都不是太大，這樣柱面形狀可能會(huì)降低邊緣部分的光學(xué)損失。下面對(duì)柱面線聚焦菲涅爾透鏡進(jìn)行了研究。 (1)柱面透鏡輪廓 柱面線聚焦菲涅爾透鏡的輪廓如圖 ，透射出射面壓有直線式槽溝，是一個(gè)個(gè)尖劈透鏡元。柱面透鏡的輪廓尺寸由其展開的相對(duì)應(yīng)的透鏡輪廓尺寸獲得。利用尖劈透鏡元的折射光學(xué)，取光線正入射時(shí)，將透鏡各寬度位置的出 射光都會(huì)聚到焦平面上，可確定各位置上的尖劈尺寸。 圖 柱面線聚焦菲