[发明专利]一种偏振不敏感的反射式超表面聚光器

说明书

本发明公开了一种偏振不敏感的反射式超表面聚光器。包括：超表面聚光器、接收器、液体工质入口和出口。其中超表面聚光器的设计过程包括以下几个步骤：1、根据设计波长选用合理的响应单元结构。2、利用时域有限差分的方法扫描响应单元的结构参数，实现最大透过率和2π的相位覆盖。3、计算超表面反射式聚光器每个位置上所需求的相位，映射为响应单元结构尺寸。4、用时域有限差分的方法计算反射式超表面聚光器的聚光比和能量利用率。反射式超表面聚光器无需额外的机械装置跟踪太阳光入射的角度，此外其高能量利用率、高聚光比有望突破当前高倍聚光光热产业的科学瓶颈。

技术领域

本发明涉及微纳光学和聚光光热发电技术领域，特别涉及一种偏振不敏感的反射式超表面聚光器。

背景技术

太阳能光热发电是指利用大规模阵列反射镜面对太阳光进行聚光，通过换热装置收集太阳热能，结合传统蒸汽循环，推动汽轮发电的一项可再生能源发电技术。相比于光伏发电系统，反射式的太阳能聚光器具有高效率、造价低等的优点。光热发电技术主要包括碟式光热发电、塔式光热发电、槽式光热发电、太阳能热气流发电、太阳池热发电等形式。传统的反射式聚光器依赖于反射镜面的设计，而高效率聚光要求的抛物面或菲涅尔镜面带来的是加工和维护的困难。光学超表面一种由亚波长结构构成的二维器件，能够实现对入射光振幅、相位和偏振的任意调制。近年来，超表面已经被研究者们应用于全息、超透镜和特殊光束生成器等。超表面调控自由度高、能量利用率高等的特点有望被应用到太阳能聚光器领域中。平面化的超表面器件，无需额外的机械装置跟踪太阳光入射的角度，减小了额外能耗，有利于系统的集成和小型化。

发明内容

本发明的目的是提供一种偏振不敏感的反射式超表面聚光器，有益效果是：提供了一种新型的无需追踪系统、易于组装的平面超表面聚光器。

为达到上述的目的，本发明采用的技术方案是提供一种偏振不敏感的反射式超表面聚光器。其特征在于包括：超表面聚光器、接收器、液体工质入口和出口。液体工质通过入口进入到接收器，超表面聚光器将入射的太阳管聚焦到线性接收器加热液体，完成光热能量转换。

反射式超表面聚光器设计过程包括以下几个步骤：

步骤1，选择超表面反射式聚光器的工作波长，根据波长确定相应的响应单元的结构和材料。

步骤2，利用时域有限差分的方法扫描响应单元的参数，实现最高的反射率和2π的相位覆盖。

步骤3，利用超表面反射式聚光器的相位公式计算每个位置上需求的相位，并映射为响应单元的结构参数。

步骤4，用时域有限差分的方法模拟和计算反射式聚光器的聚光比和焦点位置的能量分布。

步骤1中提到的响应单元的特征包括：响应单元的结构由三个部分组成：衬底材料、介质纳米柱和反射膜。其中介质纳米柱用于相位的调制，材料要求折射率高且消光系数低。反射膜的材料选择应当最大化反射率。

步骤2中提到的参数扫描过程应该在最大化反射率的条件下进行，且参数扫描的范围应满足奈奎斯特采样定理和加工条件。

介质纳米柱主要通过波导效应完成相位的突变，因此纳米柱应该足够高，其实现的相位突变应满足：

其中，λ_d为工作波长，H(纳米柱的高度)为传播距离，n_eff为基模的有效折射率。此外纳米柱太高会引入高阶模式，增加设计的复杂性。

步骤3中超表面反射式聚光器的相位公式为：

其中：λ为设计波长，f为超表面反射聚光器的焦距，θ为入射角，x、y为响应单元的位置，x₀、y₀为焦点在聚光器平面的坐标，d为响应单元和焦点在聚光器平面坐标的距离。