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Free-form optical systems for nonimaging applications : Sistemas ópticos anamórficos para aplicaciones anidólicas

机译：用于非成像应用的自由形式光学系统：用于非成像应用的变形光学系统

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摘要

La óptica anidólica es una rama de la óptica cuyo desarrollo comenzó a mediados de la década de 1960. Este relativamente nuevo campo de la óptica se centra en la transferencia eficiente de la luz, algo necesario en muchas aplicaciones, entre las que destacamos los concentradores solares y los sistemas de iluminación. Las soluciones de la óptica clásica a los problemas de la transferencia de energía de la luz sólo son adecuadas cuando los rayos de luz son paraxiales. La condición paraxial no se cumple en la mayoría de las aplicaciones para concentración e iluminación. Esta tesis contiene varios diseños free-form (aquellos que no presentan ninguna simetría, ni de rotación ni lineal) cuyas aplicaciones van destinadas a estos dos campos. El término nonimaging viene del hecho de que estos sistemas ópticos no necesitan formar una imagen del objeto, aunque no formar la imagen no es una condición necesaria. Otra palabra que se utiliza a veces en lugar de nonimaging es la palabra anidólico, viene del griego "an+eidolon" y tiene el mismo significado. La mayoría de los sistemas ópticos diseñados para aplicaciones anidólicas no presentan ninguna simetría, es decir, son free-form (anamórficos). Los sistemas ópticos free-form están siendo especialmente relevantes durante los últimos años gracias al desarrollo de las herramientas para su fabricación como máquinas de moldeo por inyección y el mecanizado multieje. Sin embargo, solo recientemente se han desarrollado técnicas de diseño anidólicas capaces de cumplir con estos grados de libertad. En aplicaciones de iluminación el método SMS3D permite diseñar dos superficies free-form para controlar las fuentes de luz extensas. En los casos en que se requiere una elevada asimetría de la fuente, el objeto o las restricciones volumétricos, las superficies free-form permiten obtener soluciones de mayor eficiencia, o disponer de menos elementos en comparación con las soluciones de simetría de rotación, dado que las superficies free-form tienen más grados de libertad y pueden realizar múltiples funciones debido a su naturaleza anamórfica. Los concentradores anidólicos son muy adecuados para la captación de energía solar, ya que el objetivo no es la reproducción de una imagen exacta del sol, sino sencillamente la captura de su energía. En este momento, el campo de la concentración fotovoltaica (CPV) tiende hacia sistemas de alta concentración con el fin de compensar el gasto de las células solares multi-unión (MJ) utilizadas como receptores, reduciendo su área. El interés en el uso de células MJ radica en su alta eficiencia de conversión. Para obtener sistemas competitivos en aplicaciones terrestres se recurre a sistemas fotovoltaicos de alta concentración (HCPV), con factores de concentración geométrica por encima de 500x. Estos sistemas se componen de dos (o más) elementos ópticos (espejos y/o lentes). En los sistemas presentados a lo largo de este trabajo se presentan ejemplos de concentradores HCPV con elementos reflexivos como etapa primaria, así como concentradores con elementos refractivos (lente de Fresnel). Con la necesidad de aumentar la eficiencia de los sistemas HCPV reales y con el fin de proporcionar la división más eficiente del espectro solar, células conteniendo cuatro o más uniones (con un potencial de alcanzar eficiencias de más del 45% a una concentración de cientos de soles) se exploran hoy en día. En esta tesis se presenta una de las posibles arquitecturas de división del espectro (spectrum-splitting en la literatura anglosajona) que utilizan células de concentración comercial. Otro campo de aplicación de la óptica nonimaging es la iluminación, donde es necesario proporcionar un patrón de distribución de la iluminación específico. La iluminación de estado sólido (SSL), basada en la electroluminiscencia de materiales semiconductores, está proporcionando fuentes de luz para aplicaciones de iluminación general. En la última década, los diodos emisores de luz (LED) de alto brillo han comenzado a reemplazar a las fuentes de luz convencionales debido a la superioridad en la calidad de la luz emitida, elevado tiempo de vida, compacidad y ahorro de energía. Los colimadores utilizados con LEDs deben cumplir con requisitos tales como tener una alta eficiencia, un alto control del haz de luz, una mezcla de color espacial y una gran compacidad. Presentamos un colimador de luz free-form con microestructuras capaz de conseguir buena colimación y buena mezcla de colores con una fuente de LED RGGB. Una buena mezcla de luz es importante no sólo para simplificar el diseño óptico de la luminaria sino también para evitar hacer binning de los chips. La mezcla de luz óptica puede reducir los costes al evitar la modulación por ancho de pulso y otras soluciones electrónicas patentadas para regulación y ajuste de color. Esta tesis consta de cuatro capítulos. Los capítulos que contienen la obra original de esta tesis son precedidos por un capítulo introductorio donde se presentan los conceptos y definiciones básicas de la óptica geométrica y en el cual se engloba la óptica nonimaging. Contiene principios de la óptica no formadora de imagen junto con la descripción de sus problemas y métodos de diseño. Asimismo se describe el método de Superficies Múltiples Simultáneas (SMS), que destaca por su versatilidad y capacidad de controlar varios haces de rayos. Adicionalmente también se describe la integración Köhler y sus aplicaciones en el campo de la energía fotovoltaica. La concentración fotovoltaica y la iluminación de estado sólido son introducidas junto con la revisión de su estado actual. El Segundo y Tercer Capítulo contienen diseños ópticos avanzados con aplicación en la concentración solar principalmente, mientras que el Cuarto Capítulo describe el colimador free-form con surcos que presenta buena mezcla de colores para aplicaciones de iluminación. El Segundo Capítulo describe dos concentradores ópticos HCPV diseñados con el método SMS en tres dimensiones (SMS3D) que llevan a cabo integración Köhler en dos direcciones con el fin de proporcionar una distribución de irradiancia uniforme libre de aberraciones cromáticas sobre la célula solar. Uno de los diseños es el concentrador XXR free-form diseñado con el método SMS3D, donde el espejo primario (X) y la lente secundaria (R) se dividen en cuatro sectores simétricos y llevan a cabo la integración Köhler (proporcionando cuatro unidades del array Köhler), mientras que el espejo intermedio (X) presenta simetría rotacional. Otro concentrador HCPV presentado es el Fresnel-RXI (FRXI) con una lente de Fresnel funcionando como elemento primario (POE) y una lente RXI como elemento óptico secundario (SOE), que presenta configuración 4-fold con el fin de realizar la integración Köhler. Las lentes RXI son dispositivos nonimaging conocidos, pero su aplicación como elemento secundario es novedosa. Los concentradores XXR y FRXI Köhler son ejemplos académicos de muy alta concentración (más de 2,000x, mientras que los sistemas convencionales hoy en día no suelen llegar a 1,000x) preparados para las células solares N-unión (con N>3), que probablemente requerirán una mayor concentración y alta uniformidad espectral de irradiancia con el fin de obtener sistemas CPV terrestres eficientes y rentables. Ambos concentradores están diseñados maximizando funciones de mérito como la eficiencia óptica, el producto concentración-aceptancia (CAP) y la uniformidad de irradiancia sobre la célula libre de la aberración cromática (integración Köhler). El Tercer Capítulo presenta una arquitectura para la división del espectro solar basada en un módulo HCPV con alta concentración (500x) y ángulo de aceptancia alto (>1º) que tiene por objeto reducir ambas fuentes de pérdidas de las células triple unión (3J) comerciales: el uso eficiente del espectro solar y la luz reflejada de los contactos metálicos y de la superficie de semiconductor. El módulo para la división del espectro utiliza el espectro solar más eficiente debido a la combinación de una alta eficiencia de una célula de concentración 3J (GaInP/GaInAs/Ge) y una de contacto posterior (BPC) de concentración de silicio (Si), así como la técnica de confinamiento externo para la recuperación de la luz reflejada por la célula 3J con el fin de ser reabsorbida por la célula. En la arquitectura propuesta, la célula 3J opera con su ganancia de corriente optimizada (concentración geométrica de 500x), mientras que la célula de silicio trabaja cerca de su óptimo también (135x). El módulo de spectrum-splitting consta de una lente de Fresnel plana como POE y un concentrador RXI free-form como SOE con un filtro paso-banda integrado en él. Tanto POE como SOE realizan la integración Köhler para producir homogeneización de luz sobre la célula. El filtro paso banda envía los fotones IR en la banda 900-1,150nm a la célula de silicio. Hay varios aspectos prácticos de la arquitectura del módulo presentado que ayudan a reducir la complejidad de los sistemas spectrum-splitting (el filtro y el secundario forman una sola pieza sólida, ambas células son coplanarias simplificándose el cableado y la disipación de calor, etc.). Prototipos prueba-de-concepto han sido ensamblados y probados a fin de demostrar la fabricabilidad del filtro y su rendimiento cuando se combina con la técnica de reciclaje de luz externa. Los resultados obtenidos se ajustan bastante bien a los modelos y a las simulaciones e invitan al desarrollo de una versión más compleja de este prototipo en el futuro. Dos colimadores sólidos con surcos free-form se presentan en el Cuarto Capítulo. Ambos diseños ópticos están diseñados originalmente usando el método SMS3D. La segunda superficie ópticamente activa está diseñada a posteriori como una superficie con surcos. El diseño inicial de dos espejos (XX) está diseñado como prueba de concepto. En segundo lugar, el diseño RXI free-form es comparable con los colimadores RXI existentes. Se trata de un diseño muy compacto y eficiente que proporciona una muy buena mezcla de colores cuando funciona con LEDs RGB fuera del eje óptico como en los RGB LEDs convencionales. Estos dos diseños son dispositivos free-form diseñados con la intención de mejorar las propiedades de mezcla de colores de los dispositivos no aplanáticos RXI con simetría de revolución y la eficiencia de los aplanáticos, logrando una buena colimación y una buena mezcla de colores. La capacidad de mezcla de colores del dispositivo no-aplanático mejora añadiendo características de un aplanático a su homólogo simétrico sin pérdida de eficiencia. En el caso del diseño basado en RXI, su gran ventaja consiste en su menor coste de fabricación ya que el proceso de metalización puede evitarse. Aunque algunos de los componentes presentan formas muy complejas, los costes de fabricación son relativamente insensibles a la complejidad del molde, especialmente en el caso de la producción en masa (tales como inyección de plástico), ya que el coste del molde se reparte entre todas las piezas fabricadas. Por último, las últimas dos secciones son las conclusiones y futuras líneas de investigación. ABSTRACT Nonimaging optics is a branch of optics whose development began in the mid-1960s. This rather new field of optics focuses on the efficient light transfer necessary in many applications, among which we highlight solar concentrators and illumination systems. The classical optics solutions to the problems of light energy transfer are only appropriate when the light rays are paraxial. The paraxial condition is not met in most applications for the concentration and illumination. This thesis explores several free-form designs (with neither rotational nor linear symmetry) whose applications are intended to cover the above mentioned areas and more. The term nonimaging comes from the fact that these optical systems do not need to form an image of the object, although it is not a necessary condition not to form an image. Another word sometimes used instead of nonimaging is anidolic, and it comes from the Greek “an+eidolon” and has the same meaning. Most of the optical systems designed for nonimaging applications are without any symmetry, i.e. free-form. Free-form optical systems become especially relevant lately with the evolution of free-form tooling (injection molding machines, multi-axis machining techniques, etc.). Nevertheless, only recently there are nonimaging design techniques that are able to meet these degrees of freedom. In illumination applications, the SMS3D method allows designing two free-form surfaces to control very well extended sources. In cases when source, target or volumetric constrains have very asymmetric requirements free-form surfaces are offering solutions with higher efficiency or with fewer elements in comparison with rotationally symmetric solutions, as free-forms have more degrees of freedom and they can perform multiple functions due to their free-form nature. Anidolic concentrators are well suited for the collection of solar energy, because the goal is not the reproduction of an exact image of the sun, but instead the collection of its energy. At this time, Concentration Photovoltaics (CPV) field is turning to high concentration systems in order to compensate the expense of multi-junction (MJ) solar cells used as receivers by reducing its area. Interest in the use of MJ cells lies in their very high conversion efficiency. High Concentration Photovoltaic systems (HCPV) with geometric concentration of more than 500x are required in order to have competitive systems in terrestrial applications. These systems comprise two (or more) optical elements, mirrors and/or lenses. Systems presented in this thesis encompass both main types of HCPV architectures: concentrators with primary reflective element and concentrators with primary refractive element (Fresnel lens). Demand for the efficiency increase of the actual HCPV systems as well as feasible more efficient partitioning of the solar spectrum, leads to exploration of four or more junction solar cells or submodules. They have a potential of reaching over 45% efficiency at concentration of hundreds of suns. One possible architectures of spectrum splitting module using commercial concentration cells is presented in this thesis. Another field of application of nonimaging optics is illumination, where a specific illuminance distribution pattern is required. The Solid State Lighting (SSL) based on semiconductor electroluminescence provides light sources for general illumination applications. In the last decade high-brightness Light Emitting Diodes (LEDs) started replacing conventional light sources due to their superior output light quality, unsurpassed lifetime, compactness and energy savings. Collimators used with LEDs have to meet requirements like high efficiency, high beam control, color and position mixing, as well as a high compactness. We present a free-form collimator with microstructures that performs good collimation and good color mixing with RGGB LED source. Good light mixing is important not only for simplifying luminaire optical design but also for avoiding die binning. Optical light mixing may reduce costs by avoiding pulse-width modulation and other patented electronic solutions for dimming and color tuning. This thesis comprises four chapters. Chapters containing the original work of this thesis are preceded by the introductory chapter that addresses basic concepts and definitions of geometrical optics on which nonimaging is developed. It contains fundamentals of nonimaging optics together with the description of its design problems, principles and methods, and with the Simultaneous Multiple Surface (SMS) method standing out for its versatility and ability to control several bundles of rays. Köhler integration and its applications in the field of photovoltaics are described as well. CPV and SSL fields are introduced together with the review on their background and their current status. Chapter 2 and Chapter 3 contain advanced optical designs with primarily application in solar concentration; meanwhile Chapter 4 portrays the free-form V-groove collimator with good color mixing property for illumination application. Chapter 2 describes two HCPV optical concentrators designed with the SMS method in three dimensions (SMS3D). Both concentrators represent Köhler integrator arrays that provide uniform irradiance distribution free from chromatic aberrations on the solar cell. One of the systems is the XXR free-form concentrator designed with the SMS3D method. The primary mirror (X) of this concentrator and secondary lens (R) are divided in four symmetric sectors (folds) that perform Köhler integration; meanwhile the intermediate mirror (X) is rotationally symmetric. Second HCPV concentrator is the Fresnel-RXI (FRXI) with flat Fresnel lens as the Primary Optical Element (POE) and an RXI lens as the Secondary Optical Element (SOE). This architecture manifests 4-fold configuration for performing Köhler integration (4 array units), as well. The RXI lenses are well-known nonimaging devices, but their application as SOE is novel. Both XXR and FRXI Köhler HCPV concentrators are academic examples of very high concentration (more than 2,000x meanwhile conventional systems nowadays have up to 1,000x) prepared for the near future N-junction (N>3) solar cells. In order to have efficient and cost-effective terrestrial CPV systems, those cells will probably require higher concentrations and high spectral irradiance uniformity. Both concentrators are designed by maximizing merit functions: the optical efficiency, concentration-acceptance angle (CAP) and cell-irradiance uniformity free from chromatic aberrations (Köhler integration). Chapter 3 presents the spectrum splitting architecture based on a HCPV module with high concentration (500x) and high acceptance angle (>1º). This module aims to reduce both sources of losses of the actual commercial triple-junction (3J) solar cells with more efficient use of the solar spectrum and with recovering the light reflected from the 3J cells’ grid lines and semiconductor surface. The solar spectrum is used more efficiently due to the combination of a high efficiency 3J concentration cell (GaInP/GaInAs/Ge) and external Back-Point-Contact (BPC) concentration silicon (Si) cell. By employing external confinement techniques, the 3J cell’s reflections are recovered in order to be re-absorbed by the cell. In the proposed concentrator architecture, the 3J cell operates at its optimized current gain (at geometrical concentration of 500x), while the Si cell works near its optimum, as well (135x). The spectrum splitting module consists of a flat Fresnel lens (as the POE), and a free-form RXI-type concentrator with a band-pass filter embedded in it (as the SOE), both POE and SOE performing Köhler integration to produce light homogenization. The band-pass filter sends the IR photons in the 900-1,150nm band to the Si cell. There are several practical aspects of presented module architecture that help reducing the added complexity of the beam splitting systems: the filter and secondary are forming a single solid piece, both cells are coplanar so the heat management and wiring is simplified, etc. Two proof-of-concept prototypes are assembled and tested in order to prove filter manufacturability and performance, as well as the potential of external light recycling technique. Obtained measurement results agree quite well with models and simulations, and show an opened path to manufacturing of the Fresnel RXI-type secondary concentrator with spectrum splitting strategy. Two free-form solid V-groove collimators are presented in Chapter 4. Both free-form collimators are originally designed with the SMS3D method. The second mirrored optically active surface is converted in a grooved surface a posteriori. Initial two mirror (XX) design is presented as a proof-of-concept. Second, RXI free-form design is comparable with existing RXI collimators as it is a highly compact and a highly efficient design. It performs very good color mixing of the RGGB LED sources placed off-axis like in conventional RGB LEDs. Collimators described here improve color mixing property of the prior art rotationally symmetric no-aplanatic RXI devices, and the efficiency of the aplanatic ones, accomplishing both good collimation and good color mixing. Free-form V-groove collimators enhance the no-aplanatic device's blending capabilities by adding aplanatic features to its symmetric counterpart with no loss in efficiency. Big advantage of the RXI design is its potentially lower manufacturing cost, since the process of metallization may be avoided. Although some components are very complicated for shaping, the manufacturing costs are relatively insensitive to the complexity of the mold especially in the case of mass production (such as plastic injection), as the cost of the mold is spread in many parts. Finally, last two sections are conclusions and future lines of investigation.
机译：辅助光学是光学的一个分支，其发展始于1960年代中期，这个相对较新的光学领域专注于有效的光传输，这是许多应用中必不可少的，尤其是太阳能聚光器。和照明系统。仅当光线是近轴光线时，经典的光学解决方案才适合光能传输问题。在大多数聚光和照明应用中，近轴条件无法满足。本论文包含几种自由形式的设计（没有对称性，既没有旋转也没有线性），其设计适用于这两个领域。术语“非成像”来自以下事实：这些光学系统不需要对物体成像，尽管不是成像不是必需条件。有时代替非成像使用的另一个词是anidolic，它来自希腊语“ an + eidolon”，具有相同的含义。专为抗辐射应用设计的大多数光学系统不具有任何对称性，即它们是自由形式的（变形的）。近年来，由于开发了用于制造其的工具，例如注塑机和多轴加工，自由形式的光学系统特别重要。但是，直到最近才开发出能够满足这些自由度的抗阴离子设计技术。在照明应用中，SMS3D方法允许设计两个自由曲面来控制大型光源。在需要源，对象或体积约束的高度不对称的情况下，与旋转对称解决方案相比，自由曲面可以获取更有效的解决方案，或者具有更少的元素，因为自由曲面具有更大的自由度，并且由于其变形性质而可以执行多种功能。阴离子聚光器非常适合捕获太阳能，因为其目的不是要复制太阳的精确图像，而只是捕获其能量。此时，光伏集中（CPV）领域趋向于高浓度系统，以抵消用作接收器的多结太阳能电池（MJ）的费用，从而减小其面积。使用MJ电池的兴趣在于其高转换效率。为了在地面应用中获得具有竞争力的系统，使用了几何集中系数大于500x的高浓度光伏系统（HCPV）。这些系统由两个（或多个）光学元件（镜和/或透镜）组成。在整个这项工作中介绍的系统中，以反射元件为主要级的HCPV聚光器以及具有折射元件（菲涅耳透镜）的聚光器为例。为了提高实际HCPV系统的效率，并且为了提供最有效的太阳光谱划分，包含四个或多个结的电池（在数百个结点的浓度下有可能达到45％以上的效率）太阳）今天进行了探索。在这篇论文中，提出了一种使用商业浓缩池的可能的频谱划分架构（Anglo-Saxon文献）。非成像光学的另一个应用领域是照明，其中必须提供特定的照明分布模式。基于半导体材料的电致发光的固态照明（SSL）正在为一般照明应用提供光源。在过去的十年中，高亮度发光二极管（LED）由于发出的优异光质量，长寿命，紧凑和节能而开始取代传统光源。与LED一起使用的准直仪必须满足诸如高效率，高光束控制的要求，混合了空间色彩和紧凑性。我们提供了一种具有微结构的自由形式的光准直仪，该准直仪能够与RGGB LED光源实现良好的准直和良好的色彩混合。良好的光混合不仅对于简化照明设备的光学设计很重要，而且对于避免分片也很重要。光学混光可以避免脉冲宽度调制和其他专有的电子色彩调节和调整解决方案，从而降低成本。本文共分四章。在包含本论文原始工作的章节之前，有介绍性章节，介绍了几何光学的基本概念和定义，其中包括非成像光学。它包含非成像光学原理及其问题和设计方法的描述。还介绍了多重同时曲面（SMS）方法，该方法以其多功能性和控制各种雷电的能力而出众。此外，还介绍了Köhler集成及其在光伏能源领域的应用。引入了光伏集中和固态照明，并回顾了它们的当前状态。第二章和第三章主要介绍了先进的光学设计，这些设计主要用于太阳能集中，而第四章介绍了带凹槽的自由形式的准直器，该准直器为照明应用提供了良好的色彩混合。第二章介绍了两个采用三维SMS方法（SMS3D）设计的HCPV聚光器，该聚光器执行双向Köhler积分，以便在太阳能电池上提供均匀的，无色差的辐照度分布。其中一种设计是采用SMS3D方法设计的自由形式XXR集线器，其中主镜（X）和副镜（R）分为四个对称扇区，并进行Köhler集成（提供阵列的四个单元） Köhler），而中间镜（X）具有旋转对称性。另一个HCPV集线器是Fresnel-RXI（FRXI），其中菲涅耳透镜作为主要元件（POE），RXI透镜作为次光学元件（SOE），具有4倍配置以执行Köhler集成。 RXI镜头是已知的非成像设备，但它们作为辅助元件的应用是新颖的。 XXR和FRXIKöhler集中器是为N结太阳能电池（N> 3）准备的非常高的集中度（超过2,000倍，而当今的常规系统通常达不到1,000倍）的学术实例。他们可能需要更高的浓度和更高的辐照光谱均匀度，才能获得高效且有利可图的地面CPV系统。两种聚光器的设计均最大化了诸如光学效率，产物浓度接受度（CAP）和无色差（Köhler积分）单元上的辐照度均匀度等优点函数。第三章介绍了基于高浓度（500x）和高接受角（>1º）的HCPV模块划分太阳光谱的架构，旨在减少两个三重结电池损耗的来源（3J ）商业：有效利用太阳光谱和来自金属触点和半导体表面的反射光。光谱分割模块使用3J浓度电池（GaInP / GaInAs / Ge）的高效率和硅浓度（Si）后触点（PCB）的结合，使用最有效的太阳光谱，以及用于限制3J电池反射的光以被电池重新吸收的外部限制技术。在提出的架构中，3J电池以其优化的电流增益（几何浓度为500x）工作，而硅电池的工作性能也接近其最佳（135x）。频谱分离模块由一个扁平的菲涅耳透镜（如POE）和一个自由形式的RXI集线器（如SOE）组成，带有集成的带通滤波器。 POE和SOE都执行Köhler集成以在单元上产生光均质化。带通滤光片将900-1,150nm波段的IR光子发送到硅电池。特色模块的体系结构具有多个实用方面，可帮助降低频谱分离系统的复杂性（滤波器和次级组件形成一个整体，两个单元共面，简化了布线和散热）等）。概念验证原型已经过组装和测试，以证明与外部光回收技术结合使用时，滤光片的可操作性和性能。获得的结果非常适合模型和仿真，并希望将来开发该原型的更复杂版本。第四章介绍了两种带有自由形凹槽的固体准直仪。两种光学设计最初都是使用SMS3D方法设计的。第二光学活性表面被回顾性地设计为带凹槽的表面。设计了两个反射镜（XX）的初始设计作为概念验证。其次，RXI自由格式设计可与现有的RXI准直仪相媲美。它是一种非常紧凑且高效的设计，与传统的RGB LED一样，在光轴外的RGB LED上工作时，可以提供很好的色彩混合。这两种设计是自由形式的设备，旨在通过旋转对称性和非平面性效率提高RXI非平面性设备的混色性能，实现良好的准直和良好的色彩混合。通过在非对称器件的对称对应物上增加非对称性，可以提高非扁平器件的混色能力。在基于RXI的设计中，由于可以避免金属化过程，因此它的巨大优势是较低的制造成本。尽管某些组件的形状非常复杂，但是制造成本对模具的复杂性相对不敏感，特别是在批量生产（例如塑料注射）的情况下，因为模具的成本由所有人共同承担制造的零件。最后，最后两节是结论和未来的研究方向。摘要非成像光学是光学的一个分支，其发展始于1960年代中期。这个相当新的光学领域专注于许多应用中必需的有效光传输，其中我们重点介绍了太阳能聚光器和照明系统。仅当光线是近轴光线时，经典的光学解决方案才适用于光能传递问题。对于聚光和照明，在大多数应用中不满足近轴条件。本文探讨了几种自由形式的设计（既没有旋转对称也没有线性对称），其应用旨在涵盖上述领域以及更多领域。术语“非成像”来自这样的事实，即这些光学系统不需要形成物体的图像，尽管不形成图像不是必须的条件。有时用来代替非成像的另一个词是反义词，它来自希腊语“ an + eidolon”，具有相同的含义。设计用于非成像应用的大多数光学系统没有任何对称性，即自由形式。随着自由形式工具（注塑机，多轴加工技术等）的发展，自由形式的光学系统最近变得尤为重要。然而，直到最近，才有能够满足这些自由度的非成像设计技术。在照明应用中，SMS3D方法允许设计两个自由曲面来控制扩展良好的光源。在源约束，目标约束或体积约束具有非常不对称的要求的情况下，与旋转对称解决方案相比，自由形式的表面可以提供效率更高或元素更少的解决方案，因为自由形式具有更大的自由度，并且它们可以执行多种功能他们的自由形式。阴离子聚光器非常适合收集太阳能，因为目标不是复制精确的太阳图像，而是收集其能量。此时，聚光光伏（CPV）领域正在转向高浓度系统，以通过减小其面积来补偿用作接收器的多结（MJ）太阳能电池的费用。使用MJ电池的兴趣在于其非常高的转换效率。为了在地面应用中具有竞争力的系统，需要几何浓度超过500倍的高浓度光伏系统（HCPV）。这些系统包括两个（或多个）光学元件，镜子和/或透镜。本文介绍的系统包括两种主要的HCPV体系结构：具有主反射元件的聚光器和具有主折射元件的聚光器（菲涅耳透镜）。要求提高实际HCPV系统的效率以及可行，更有效地划分太阳光谱导致探索四个或更多结太阳能电池或子模块。在数百个太阳的集中下，它们有可能达到45％以上的效率。本文提出了一种使用市售浓缩池的光谱分离模块的可能结构。非成像光学的另一个应用领域是照明，其中需要特定的照度分布模式。基于半导体电致发光的固态照明（SSL）为一般照明应用提供了光源。在过去的十年中，高亮度发光二极管（LED）由于其卓越的输出光质量，无与伦比的使用寿命，紧凑性和节能性而开始取代传统光源。与LED一起使用的准直仪必须满足诸如高效率，高光束控制，颜色和位置混合以及高度紧凑的要求。我们提出了一种具有微结构的自由形式的准直仪，该准直仪可以与RGGB LED光源进行良好的准直和良好的色彩混合。良好的光混合不仅对于简化照明器光学设计很重要，而且对于避免裸片装箱也很重要。通过避免脉宽调制和其他用于调光和色彩调节的专利电子解决方案，光混合可以降低成本。本文共分四章。在包含本论文原始工作的章节之前，有介绍性章节，介绍了在其上发展非成像的几何光学的基本概念和定义。它包含非成像光学的基础知识，对它的设计问题，原理和方法的描述，以及同时多表面（SMS）方法因其多功能性和控制几束光线的能力而脱颖而出。还介绍了Köhler集成及其在光伏领域的应用。引入了CPV和SSL字段以及其背景和当前状态的回顾。第2章和第3章包含高级光学设计，这些设计主要应用于太阳能集中。同时，第四章描述了具有良好色彩混合特性的自由形式V形槽准直仪，用于照明应用。第2章从三个维度（SMS3D）描述了使用SMS方法设计的两个HCPV光学集中器。这两个聚光器都代表科勒积分器阵列，可提供均匀的辐照度分布，而不会在太阳能电池上产生色差。其中一种系统是使用SMS3D方法设计的XXR自由格式集中器。该聚光器的主镜（X）和副透镜（R）分为四个对称的扇形（折叠），用于执行Köhler积分；同时中间镜（X）是旋转对称的。第二个HCPV聚光器是菲涅耳-RXI（FRXI），其平面菲涅尔透镜为主要光学元件（POE），而RXI透镜为次要光学元件（SOE）。该体系结构还体现了用于执行Köhler集成的4倍配置（4个阵列单元）。 RXI镜头是众所周知的非成像设备，但它们作为SOE的应用是新颖的。 XXR和FRXIKöhlerHCPV聚光器都是为不久的将来N结（N> 3）太阳能电池准备的非常高的浓度（目前是2000倍，而如今的常规系统已达到1000倍）的学术实例。为了拥有高效和具有成本效益的地面CPV系统，这些电池可能需要更高的浓度和更高的光谱辐照度均匀性。两种聚光器的设计均通过最大化性能函数：光学效率，浓度接受角（CAP）和无色差的细胞辐照度均匀性（科勒积分）。第3章介绍了基于HCPV模块的频谱分割架构，该模块具有高浓度（500x）和高接收角（>1º）。该模块旨在通过更有效地利用太阳光谱以及回收从3J电池的网格线和半导体表面反射的光来减少实际商用三结（3J）太阳能电池的两种损耗源。由于高效3J浓度电池（GaInP / GaInAs / Ge）和外部Back-Point-Contact（BPC）浓度硅（Si）电池的结合，可以更有效地利用太阳光谱。通过采用外部限制技术，可以恢复3J细胞的反射，以便被细胞重新吸收。在建议的集中器体系结构中，3J电池以其优化的电流增益（在500x的几何浓度下）工作，而Si电池也接近其最佳（135x）工作。频谱分离模块由一个平面菲涅耳透镜（作为POE）和一个内置有带通滤波器的自由形式RXI型集中器（作为SOE）组成，POE和SOE均执行Köhler集成以产生光均质化。带通滤波器发送900-1中的红外光子硅晶片的波长为150nm。所介绍的模块体系结构有几个实用方面，可帮助降低分束系统的复杂性：滤波器和次级组件形成单个实体，两个单元共面，从而简化了热量管理和接线，等等。概念原型被组装和测试，以证明滤光片的可制造性和性能，以及外部光回收技术的潜力。获得的测量结果与模型和仿真非常吻合，并显示了采用频谱分裂策略的菲涅尔RXI型二次浓缩器的制造途径。第4章介绍了两种自由形式的V型实心准直仪。这两种自由形式的准直仪最初都是使用SMS3D方法设计的。第二镜面光学活性表面在后表面的带槽表面中转换。最初的两面反射镜（XX）设计是作为概念验证而提出的。其次，RXI自由形式设计可与现有RXI准直器相媲美，因为它是一种高度紧凑且高效的设计。与常规RGB LED一样，它可以对轴外放置的RGGB LED源进行很好的颜色混合。在此描述的准直仪改善了现有技术的旋转对称无平面RXI装置的混色性能，并改善了非平面RXI装置的效率，实现了良好的准直和良好的混色。自由形式的V形槽准直仪通过在对称部件上增加非平面性特征，从而提高了非平面性设备的混合能力，而不会降低效率。 RXI设计的最大优势在于其潜在的较低制造成本，因为可以避免金属化过程。尽管某些组件的成型非常复杂，但制造成本对模具的复杂性相对不敏感，特别是在批量生产（例如塑料注射）的情况下，因为模具的成本分散在许多零件中。最后，最后两节是结论和未来的研究方向。

著录项

  • 作者

    Buljan Marina;

  • 作者单位
  • 年度 2014
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  • 正文语种 eng
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