ビームステアリングレンズアレイの多目的最適化による高性能静止太陽追尾

High-performance stationary solar tracking through multi-objective optimization of beam-steering lens arrays.

• Håkon J D Johnsen
• Astrid Aksnes
• Jan Torgersen

抄録

ビームステアリングレンズアレイは、一組のレンズアレイ間のミリ単位の相対移動を利用して太陽追尾を可能にします。これは、従来の太陽追尾装置の機械的な嵩高さに代わる有望な代替手段であると考えられるが、これまで可能な構成についての徹底的な調査は行われていなかった。本研究では、多目的最適化に基づいて、ビーム発散と光学効率のトレードオフを定量化し、ビームステアリングレンズアレイを設計するためのアプローチを提案する。このアプローチを用いて、多数のビームステアリングレンズアレイ構成をスクリーニングし、最適化することで、新たな構成を発見した。その結果、年間平均効率が73.4%で、発散角が2未満の半値角に太陽光を導くことができる設計と、発散角が3.5未満の半値角で75.4%の効率を達成した簡略化された設計を紹介します。これらの設計は、定置型太陽集光装置のための低コストの太陽追尾を可能にするビームステアリングレンズアレイの可能性を示しています。

Beam-steering lens arrays enable solar tracking using millimeter-scale relative translation between a set of lens arrays. This may represent a promising alternative to the mechanical bulk of conventional solar trackers, but until now a thorough exploration of possible configurations has not been carried out. We present an approach for designing beam-steering lens arrays based on multi-objective optimization, quantifying the trade-off between beam divergence and optical efficiency. Using this approach, we screen and optimize a large number of beam-steering lens array configurations, and identify new and promising configurations. We present a design capable of redirecting sunlight into a <2 divergence half-angle, with 73.4% average yearly efficiency, as well as a simplified design achieving 75.4% efficiency with a <3.5 divergence half-angle. These designs indicate the potential of beam-steering lens arrays for enabling low-cost solar tracking for stationary solar concentrators.