摘要
聚光光伏（Concentratingphotovoltaic，CPV）发电技术是通过大面积的聚光镜或镜面将太阳光会聚到面积更小的多结太阳能电池上，直接将太阳能转化为电能的发电技术。CPV系统中，一般采用凸透镜和菲涅尔聚光镜作为聚光镜，相同条件下传统凸透镜有较大的重量和厚度，无法满足CPV系统轻量化的需求。菲涅尔聚光镜因其质量轻、透过率高和量产化成本低等优点，成为CPV系统中聚光镜的首选。但是，传统菲涅尔聚光镜光斑均匀度偏低，影响电池转化效率和CPV系统发电效率，本文将以改进菲涅尔聚光镜的结构，提高菲涅尔聚光镜的光斑均匀度为主要研究内容，具体内容如下： 分析几何光学原理，推导传统菲涅尔聚光镜、一次全反射和二次全反射的设计公式。对聚光镜的基本性能参数进行了分析，包括几何聚光比、光斑均匀度的定义、高宽比、聚光效率以及接收角。 提出结构改进方案，分别为离轴旋转对称改进结构、分区多焦点改进结构和非旋转对称改进结构，对三种改进方案进行建模仿真，分析其基本性能参数，确定最优结构，仿真结果表明非旋转对称结构，能实现聚光均匀度为88.26%的方形光斑。 详细分析非旋转对称结构的各种性能参数，探究了焦距、焦深、色散和接收角对聚光效果的影响。搭建实验平台，对非旋转对称结构菲涅尔聚光镜进行实验测试，主要包括焦距测试、聚光效率测试、聚光均匀度测试和接收角特性测试，测得结果为焦距195mm、聚光效率为62.5%、均匀度为80.7%、接收角为0.36°。 与传统的菲涅耳透镜相比，非旋转对称结构聚光器在太阳光谱范围内显著提高了太阳电池的辐射均匀性。因无需增加二级聚光元件，聚光系统具有紧凑性好、效率高、成本低、易于大规模生产的优点。
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