CN101694540B - 一种菲涅耳聚光器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于太阳能聚光光伏系统中的菲涅耳聚光器及其实现方法，由一系列同心环带透镜构成，其特征在于：所述每一个环带透镜决定焦距位置的包括齿距、齿高、曲率、圆锥系数均为独立计算设置形成环带散焦，使相邻环带在光电池面上形成的能量环带依次排布，最后各个环带产生的能量环带集成一个均匀性良好的汇聚光斑。如果在照面模拟检测时发现在汇聚光斑的个别位置有能量的高或低现象，可以通过对菲涅耳透镜某一环带或者某些环带散焦量的调整来进行对这一受照面位置能量的补偿，从而保证在光斑面积等于太阳电池面积、聚光比没有变化、透过率没有变化的情况下，消除共焦菲涅耳透镜的中心能量极值点，大大改善光斑的照度均匀性。

Description

一种菲涅耳聚光器及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能聚光光伏系统中的聚光装置，尤其涉及一种应用于高倍聚光光伏模组的菲涅耳聚光器，实现针对太阳光光束均匀聚光的作用。

背景技术

目前，普遍采用的太阳能聚光器主要分为透射式结构与反射式结构，透射式聚光器分为普通透镜式聚光器及菲涅耳式聚光器。菲涅耳式聚光器的特点是轻薄(因为用塑料制成)，并且可利用复制技术进行大批量生产，采用模具压塑成型，这就大大降低了生产成本，而且菲涅耳透镜由多个环带组成，每一个环带的曲率可以独立控制，可以更好地校正透镜像差。通常采用的菲涅耳透镜均采用共焦法进行设计，即把各个环带的焦点重合，这种采用共焦法设计的菲涅耳透镜虽然校正了球差，但是因为色散的存在，在聚光光斑的中心处会出现能量高于周边范围的热点，大大影响了聚光光斑的均匀性，这对太阳能电池的光电转换效率以及其使用寿命式是极其不利的。

发明内容

为了解决目前采用共焦法所设计的菲涅耳透镜聚光光斑能量不均匀的问题，本实发明提供了一种采用散焦法设计的菲涅耳透镜及其实现方法，该透镜不仅能够保证聚光器的聚光比以及光能量的透过率，而且能很好地改良聚光光斑的均匀性，从而提高太阳能电池接收聚光光斑的质量。

为实现本发明的目的，一种菲涅耳聚光器，由一系列同心的环带透镜构成，其特征在于：所述每一个环带透镜决定焦距位置的包括齿距、齿高、曲率、圆锥系数均为独立计算设置形成环带散焦。

进一步地，上述的菲涅耳聚光器，其中：所述该些环带透镜的宽度从中心到四周逐渐减小；优选地，所述每一环带透镜均等厚。

前述菲涅耳聚光器的实现方法，其特征在于：所述各环带透镜形成散焦，使相邻环带透镜在光电池面上形成的能量环带依次排布。环带透镜不同焦距设定可以通过对塑料透镜齿距、齿高、曲率和圆锥系数的加工实现。

更进一步地，前述菲涅耳聚光器的实现方法，所述菲涅耳聚光器由四个环带透镜同心构成，第一环带透镜在光电池面上形成一个基准圆斑，第二环带透镜以距离基准圆斑中心第一偏移量处设置焦距，第三环带透镜再朝受照面边缘方向以距离基准圆斑中心第一偏移量加第二偏移量处设置焦距，而第四环带透镜继而以距离基准圆斑中心第一偏移量加第二偏移量再加第三偏移量处设置焦距。

本发明有益效果是：可以保证在光斑面积等于太阳能电池面积，聚光比没有变化，透过率没有变化的情况下，消除共焦菲涅耳透镜的中心能量极值点，大大的改善了光斑的照度均匀性。

附图说明

图1是本发明的聚光示意图；

图2是各环带透镜齿距的计算说明示意图；

图3是采用共焦法设计的光路图；

图4是采用散焦法设计的光路图；

图5是采用共焦法设计时的汇聚光斑照度图；

图6是采用共焦法设计时的汇聚光斑照度检测曲线；

图7是采用散焦法设计时的汇聚光斑照度图；

图8是采用散焦法设计时的汇聚光斑照度检测曲线。

具体实施方式

本发明根据计算来设定菲涅耳透镜的每一环的齿距，齿高，曲率，圆锥系数等参数，设计过程中保证每一环带透镜(以下简称环带)均等厚。

如果按传统的共焦法设计，在菲涅耳透镜的各个折射点，因为色散的原因，短波段的光线都在焦面中心汇聚，而长波段的汇聚光线随着透镜孔径的变化沿着焦面依次散开，这将出现光斑中心极强，四周能量逐渐减弱的情况，直接导致太阳能电池所接受光斑的均匀性变差。

按散焦法独立设计菲涅尔透镜各个环带，设计时需要保证各个环带透射光束能量带都汇聚在太阳能电池表面上，这样就可以避免光能量损失。从菲涅耳透镜中心圆带透射的能量在太阳能电池表面处是一个圆斑，圆斑的半径为X1；然后以距离该圆斑中心为X1的位置处作为起点进行设置第二环带的焦点，第二环带的焦点沿光轴偏离中心圆带的焦点并且向像方散焦，第二环带的透射光能量带在受照面内以距离中心圆带圆斑中心为X1的位置处为起点向受照面边缘方向排布，第二环带的透射光能量带的宽度为X2；再以距离中心圆带圆斑中心为X1+X2位置处为起点进行设置第三环带的焦点，第三环带的焦点沿光轴偏离第二环带的焦点并且向像方散焦，第三环带的透射光能量带在受照面内以距离中心圆带圆斑中心为X1+X2的位置处为起点向受照面边缘方向排布，第三环带的透射光能量带的宽度为X3。再以距离中心圆带圆斑中心为X1+X2+X3位置处为起点进行设置第四环带的焦点，第四环带的焦点沿光轴偏 离第三环带的焦点并且向像方散焦，第四环带的透射光能量带在受照面内以距离中心圆带圆斑中心为X1+X2+X3的位置处为起点向受照面边缘方向排布，第四环带的透射光能量带的宽度为X4。依次类推，以每一环能量带的终点作为下一能量带的起点，使得各个能量环带的能量在受照面上依次排布，不再出现短波段光线在中心汇聚的情况。若某一环带的能量排布达到了受照面的边缘，无法继续外扩，则下面环带的能量分布又从受照面中心为起点重新开始，依次排布，各个环的能量环叠加在一起形成一个汇聚光斑。

如果在照面模拟检测时发现在汇聚光斑的个别位置有能量的高或低现象，可以通过对菲涅耳透镜某一环带，或者某些环带散焦量的控制来进行对这一受照面位置能量的补偿。

下面以四环菲涅耳透镜为例进行详细说明，环数增加时，设计方法同样适用。

如图1所示，平行光进入菲涅耳透镜，经过折射后汇聚到同一个光电池照面，由实际聚光比公式C＝孔径面积/吸收面积，通过控制光斑面积来决定聚光比。

如图2所示，o为菲涅耳透镜最外环的曲率中心。m为菲涅耳最外环与光轴交点到基面的距离，n为最外环半径的曲率中心到基面的距离。H1，H2，H3...为对应1，2，3...环的高度。随着孔径的增大，球差增大，环带距离越小可以做到越细致的控制球差。如果把整个菲涅耳透镜分为x环(环带数可任意选择)，从中心到四周，每一环带的宽度逐渐缩小，则各个环带的高度公式为：

$H_i=\sqrt{{(n+\frac{i\×m}{x})}^2-n^2},(i=\mathrm{1,2,3}.....x)$

如图3所示，带箭头的实线为短波段光线，虚线为长波段光线。对于共焦 的菲涅耳透镜，在各个折射点，因为色散的原因，短波段的光线都在像面中心汇聚，而长波段的光线都在四周因为孔径的变化依次散开。长波段与短波段的不同像点的距离叫色散半径，经推导得：

$r\left(i\right)=\frac{n_1\sqrt{1-{\left(n_2\sin a\left(i\right)\right)}^2}-n_2\sqrt{1-{\left(n_1\sin a\left(i\right)\right)}^2}}{\mathrm{ctga}\left(i\right)\·\sqrt{1-{\left(n_2\sin a\left(i\right)\right)}^2}+n_2\sin a\left(i\right)}\×F\·\sqrt{{\left(\frac{x\left(i\right)}{F}\right)}^2+1}$

其中n₁，n₂为材料对两个波段的折射率，x(i)为光线入射高度，F为环带齿尖到底面的距离，a(i)为底面与此点切线的角度偏差，r(i)即为色散半径。由公式推出，随着入射高度的增加，色散半径逐渐增大。所以按共焦法设计，所有孔径的低波段光线都在中心汇聚，而高波段光线因为色散半径的逐渐扩散在像面上逐渐扩散。将出现光斑中心极强，四周能量逐渐减弱的情况。

如图4所示，菲涅耳透镜中心圆带汇聚的透射能量在受照面处是一个圆斑，圆斑的半径为X1，然后从距离受照面中心X1位置处为起点，设置第二环带的焦点沿光轴向像方散焦(离焦)，第二环带的能量带在受照面内沿着X1处向受照面边缘方向排布，能量带的宽度为X2。再以距离受照面中心的X1+X2位置处为起点，设置三环带的焦点沿光轴向像方散焦(离焦)，第三环带的能量带在受照面内沿着X2处向受照面边缘方向排布，能量带的宽度为X3。再以距离受照面中心的X1+X2+X3位置处为起点，设置四环带的焦点沿光轴向像方散焦(离焦)，第四环带的能量带在受照面内沿着X3处向受照面边缘方向排布，能量带的宽度为X4。依次类推，以每一环能量带的终点作为下一能量带的起点，使得各个能量环带的能量在受照面上依次排布，不再出现短波段光线在中心汇聚的情况。若某一环带的能量排布达到了受照面的边缘，无法继续外扩，则下面环带的能量分布又从受照面中心为起点重新开始，依次排布。如果在照面模拟检测时发现在汇聚光斑的个别位置有能量的高或低现 象，可以通过对菲涅耳透镜某一环带，或者某些环带散焦量的控制来进行对这一受照面位置能量的补偿。

如图5、图6、图7和图8所示，分别是采用共焦法设计和散焦法设计时的汇聚光斑照度图与光斑一维检测曲线。在一维检测曲线图中，横坐标是电池照面的一维横截面，纵坐标是相应位置的光照度数值。基于共焦法设计的菲涅耳透镜汇聚后的光斑，中心极值点的能量最大值为473.7w/cm²，最小值13.5w/cm²。基于散焦法设计的菲涅耳透镜汇聚后的光斑，中心极值点的能量最大值为53.4w/cm²，最小值26.8w/cm²。两个光斑的聚光比，能量透过率一致。由能量均匀性公式 $X=\frac{I_{\max }-I_{\min }}{I_{\max }+I_{\min }},$ 可得共焦法设计的光斑均匀性为94.45％，散焦法设计的光斑均匀性为33％。在聚光比一致，能量透过率一致的条件下，采用散焦法设计的菲涅耳透镜光斑均匀性大大提升，光斑质量更加良好。

Claims (6)

1.一种菲涅耳聚光器，由一系列同心的环带透镜构成，其特征在于：所述每一个环带透镜决定焦距位置的包括齿距、齿高、曲率、圆锥系数均为独立计算设置形成环带散焦。

2.根据权利要求1所述的一种菲涅耳聚光器，其特征在于：所述该些环带透镜的宽度从中心到四周逐渐减小。

3.根据权利要求1所述的一种菲涅耳聚光器，其特征在于：所述每一环带透镜均等厚。

4.权利要求1所述一种菲涅耳聚光器的实现方法，其特征在于：所述各环带透镜形成散焦，使相邻环带在光电池面上形成的能量环带依次排布。

5.根据权利要求4所述的一种菲涅耳聚光器的实现方法，其特征在于：所述菲涅耳聚光器由四个环带透镜同心构成，第一环带透镜在光电池面上形成一个基准圆斑，第二环带透镜以距离基准圆斑中心第一偏移量处设置焦距，第三环带再朝受照面边缘方向以距离基准圆斑中心第一偏移量加第二偏移量处设置焦距，而第四环带继而以距离基准圆斑中心第一偏移量加第二偏移量再加第三偏移量处设置焦距。

6.根据权利要求4所述的一种菲涅耳聚光器的实现方法，其特征在于：所述环带透镜不同焦距设定是通过对塑料透镜齿距、齿高、曲率和圆锥系数的加工实现的。

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