摘要
当今的太阳能收集设备中，采用多结太阳能电池和聚光镜的聚光光伏（CPV）设备应用潜力巨大，但由于CPV系统对聚光器、跟踪器和冷却器的需要，极大地削弱了CPV系统的优势。因此找寻一种成本低、能耗低、尺寸小的太阳能收集追踪设备变得尤为重要。根据目前的研究来看，基于介电润湿效应的液体棱镜作为新一代光束偏转追踪策略的候选技术，因其具有折射率可调、尺寸小、高聚光比、能耗低等优点，将其应用于CPV系统上具有很大优势。但目前传统双液体单棱镜仍存在两大缺点，其一是对于电源的需求，增加了运行的成本；其二是棱镜内部仅有一个动态界面可调，限制了棱镜的光束偏转能力。所以研究一种自供电、多界面的液体棱镜，应用于CPV系统中变得尤为重要。本文针对于上述传统双液体单棱镜存在的两个问题进行了解决，制作了一种基于摩擦纳米发电机（TENG）自供电可编程复合液体棱镜（PCP）。本文的研究工作如下： 在理论研究方面，根据空间光学光路计算理论基础，推导了PCP与单棱镜的光束偏折角公式，从而分析了二者的偏光能力大小；根据电学相关原理，推导了TENG-PCP自供电光学系统中，交流转直流电路（RC电路）的电压控制策略模型，验证了使用RC电路进行电压调控的正确性。 在模拟分析方面，主要使用Python模拟分析不同液体折射率下PCP棱镜角对光束偏折角、通光量的影响，确定PCP的侧壁使用单电极模式；针对特定液体折射率研究了PCP高宽比对于最大光束偏折角和通光量的影响，确定采用高宽比为2:1的PCP可以获得较大的光束偏折角和较高的平行光通光量。后续使用ComsolMultiphysics软件对PCP进行模拟验证和光迹追踪，确定Python模拟的正确性；最后使用OpticStudioZemax光学软件建立光迹追踪模型，说明在CPV系统中对于光束准直的重要性。 在实验研究方面，制作TENG和模拟得到的最佳配置的PCP，使用RC电路将二者连接，组成TENG-PCP自供电光学系统。通过相关仪器测得，使用RC电路可以将TENG产生的-265V~+265V的交流电，整流为较为稳定平直的直流电；使用CCD相机，拍摄PCP液面偏转情况，获取PCP棱镜角随电压的变化关系数据以及PCP液面图像。可以发现，实验数据和模拟结果相差不大；对TENG-PCP自供电光学系统和传统双液体单棱镜进行光束偏转实验，结果表明，PCP具有更广的光束偏折角范围（约15°），相比于传统双液体单棱镜提高了38%；将TENG-PCP结合菲涅尔透镜为多结太阳能电池供电，结果发现多结太阳能电池的功率提高了1.2mW。
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