摘要：針對菲涅爾透鏡存在實際光學效率偏低的問題，本文設計了一種由非球面透鏡和棒錐鏡組成的高效非成像聚光光學系統。在光學設計軟體Zemax的序列模式下對非球面透鏡進行了優化設計，通過最大程度地減小球差，像面光斑的幾何半徑從42 mm降到了1.7 mm。基於此，在Zemax的非序列模式下，完成了非球面透鏡和棒錐鏡的建模和優化，通過蒙特卡羅光線追跡分析實現了光學效率為87%、接收角為0.9° 的非成像聚光光學系統。最後，基於非球面透鏡陣列和棒錐鏡樣品，實現了高倍聚光型光伏模組的封裝與測試。測試結果表明，該模組的光電轉換效率達30.03%，與菲涅爾透鏡構成的高倍聚光型光伏模組相比有顯著提升。 關鍵詞：菲涅爾透鏡；非成像聚光光學系統；非球面透鏡；聚光型光伏
1 引言
當前，聚光型光伏發電技術被認為是最有可能降低發電成本的技術之一。聚光型光伏發電技術用聚光器把大面積的陽光會聚到小面積的光伏電池表面，實現用廉價的光學材料代替昂貴的光伏電池材料的目的，適合應用於太陽直接輻射強度高的區域。聚光器的選型與優化設計是聚光型光伏領域必須解決的關鍵問題之一。菲涅爾透鏡具有輕薄、低成本的特點，從而成為聚光型光伏領域聚光器的首選。付蕊等開發出一種高效均勻聚光菲涅爾透鏡，聚光效率大於80%，在此基礎上集成的聚光型光伏模組效率達27.9%。Ferrer-Rodríguez等研究了菲涅爾透鏡與不同二次聚光器組成的高倍聚光系統對聚光型光伏模組效率的影響，聚光模組的最高效率達到了28%。
菲涅爾透鏡從原理上可以達到較高的光學效率，但是由於圓角散射、脫模形變、齒根遮光等加工工藝條件的限制，實際運行時光學效率會大幅降低，限制了聚光型光伏模組光電轉換效率的進一步提升。非球面透鏡不存在此類加工工藝限制，且非球面面型可以有效降低像差、提升聚光效率。為此，本文創新性地提出用非球面透鏡來代替菲涅爾透鏡的理念，設計了一種由非球面透鏡和棒錐鏡組成的高效非成像聚光光學系統。在此基礎上，集成微型三結砷化鎵光伏電池，實現了高倍聚光型光伏模組樣機的研製與性能分析。
2 工作原理
基於非球面透鏡的高效非成像聚光光學系統由作為主聚光器的非球面透鏡和作為二次聚光器的棒錐鏡組成，入射光線被非球面透鏡會聚到棒錐鏡的上端面，經棒錐鏡的二次會聚入射到光伏電池的表面，如圖1所示。主聚光器的面積和光伏電池的面積之比稱為幾何聚光比，幾何聚光比與非成像聚光光學系統的光學效率乘積稱為能量聚光比，能量聚光比越高代表光伏電池表面能量密度越高，最佳能量聚光比的設計根據光伏電池的聚光特性而定。當前，高倍聚光型光伏模組普遍採用邊長為5.5mm或者10mm的多結砷化鎵光伏電池，最佳能量聚光比一般都在幾百倍甚至上千倍，相應主聚光器孔徑在十幾到幾十釐米，在保證合理厚度的前提下只能選用菲涅爾透鏡。為了實現非球面透鏡取代菲涅爾透鏡，並且，厚度控制在合理範圍，必須縮小光伏電池的尺寸。為此，我們開發出了直徑只有2.5mm微型三結砷化鎵光伏電池，圖2為該光伏電池的截面圖。
圖3為該微型三結砷化鎵光伏電池的光電轉換效率隨能量聚光比變化曲線，可知，該電池在能量聚光比為330倍時，光電轉換效率可以達到最大值。非成像聚光光學系統包含非球面透鏡和棒錐鏡兩個光學元件，即四個光學界面，系統理想的光學效率在84%左右，考慮加工誤差和聚光模組的封裝、對準誤差，有效的光學效率大約在80%左右。因此，高倍聚光型光伏模組的幾何聚光比約為413倍，考慮高倍聚光型光伏模組的封裝要求，非球面透鏡要切成正方形再膠合成陣列結構，所以非球面透鏡的孔徑D應為64mm，切割後的內接正方形非球面透鏡的邊長為45mm。
圖1.高效非成像聚光光學系統原理圖
圖2.微型三結砷化鎵光伏電池截面圖
圖3.微型三結砷化鎵光伏電池光電轉換
圖4.初始結構聚焦光斑點列圖
圖5.非球面透鏡聚焦光斑點列圖
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6 結論
非球面透鏡可以大幅減小系統球差，改善成像像質，減小像面光斑的幾何半徑，結合優化的棒錐鏡可以實現非成像聚光光學系統聚光效率的大幅提升，同時，可以增大高倍聚光光伏系統的接收角，改善光伏電池表面輻照度分布的均勻性，顯著提升高倍聚光型光伏模組的光電轉換效率。然而，由於客觀原因多結砷化鎵光伏電池的幾何尺寸仍然偏大，在保證一定能量聚光比的條件下，非球面透鏡孔徑無法進一步降低，厚度仍然偏厚，不利於實際工程應用。未來，隨著多結砷化鎵光伏電池進一步小型化和非球面透鏡陣列模壓技術的進一步成熟，這種由非球面透鏡和棒錐鏡組成的高效非成像聚光光學系統在高倍聚光型光伏發電領域將會有廣闊的應用前景。