CN102169917A - 一种用于聚光光伏太阳能系统的多面锥体棱镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学元件，具体是一种用于聚光光伏太阳能系统的多面锥体棱镜。该用于聚光光伏太阳能系统的多面锥体棱镜，其特征在于：所述的多面锥体棱镜形状为由下至上大小递增的三个正四棱台叠加而成，中层正四棱台的上底面与上层正四棱台的下底面重合，中层正四棱台的下底面与下层正四棱台的上底面重合，多面锥体棱镜整体包括14个外表面，所述的14个外表面分别为一大一小上下平行的两个正方形端面，以及12个等腰梯形侧面。本发明能减少光线在汇聚和传输中的损失。

Description

一种用于聚光光伏太阳能系统的多面锥体棱镜
技术领域
本发明涉及一种光学元件，具体是一种用于聚光光伏太阳能系统的多面锥体棱镜。
背景技术
传统的CPV（聚光光伏）太阳能聚光系统的光学元件为6面锥体，在光线传输中起折射、反原理将光线进行传输和汇集；光锥锥顶角为2a’，光线进入光锥大端面时入射角为θ，经折射后折射角为θ1，光线从光锥大端面入设以后，在光锥壁进行反射，每反射一次在光壁上的入射角就减小2 a’，光线在光锥内第n次反射时对应的入射角γn=90°-［θ1+（2n-1）a］,(n=1,2,3,…),经过反复做图研究发现，当a’一定时，锥体的高度H决定着光线在锥体内部传输的次数n,当锥体的高度H过大使得反射的次数n增多，造成反射角逐渐减小，当反射角小于临界角时光线会从内壁折射出，当在小端面的入射角大于临界角时，光线不发生折射，继续在6面体内部传输，最后从从大端面折射出，光能损失；当高度H尺寸太小时，锥体小端面面积过大而浪费接受光能的硅片。参见图9，以K9光学材料为例，光线A以30°入射角从6面体大端面进入，折射角为19.25°，当在锥体内部发生3次反射后，在小端面时入射角为53.51°，大于临界角，开始往锥体大端头发生全发射，当光线A传输到大端头时，入射角为19.25°，小于临界角41.26°，光线从大端头折射出，光能损失。
专利号为201010286660.2，专利名称为“用于聚光型单色光太阳能电池系统的双锥形分光棱镜”的专利中公开了一种用于聚光型单色光太阳能电池系统的双锥形分光棱镜，由n个相同的三角棱镜组成,每个三角棱镜的外表面由一个矩形底面、两个等腰三角形端面,两个梯形侧面组成;两个三角形端面为抛光面,两个梯形侧面之间的夹角为360°的n分之一，相邻三角棱镜的相邻梯形侧面拼接在一起,由三角形端面拼接而成的两个类锥形表面，一个作为入射端面，一个作为出射端面。该分光镜由多块三角棱镜组成，使用成本过高，同时对于避免光能的损失也没有很好的解决。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的不足而提供一种减少光线在汇聚和传输中损失的用于聚光光伏太阳能系统的多面锥体棱镜。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是: 该用于聚光光伏太阳能系统的多面锥体棱镜，其特征在于：所述的多面锥体棱镜形状为由下至上大小递增的三个正四棱台叠加而成，中层正四棱台的上底面与上层正四棱台的下底面重合，中层正四棱台的下底面与下层正四棱台的上底面重合，多面锥体棱镜整体包括14个外表面，所述的14个外表面分别为一大一小上下平行的两个正方形端面，以及12个等腰梯形侧面。使用时将多面锥体棱镜的大端面放在主光学系统的聚焦面附近聚集光束，利用本发明锥形内壁的高反射比特性，将光束引到小端面输出，是一种非成像的聚光元件，可增加光照能量和减少接受光的硅片面积。
本发明所述的上层正四棱台高度为2～15mm，相邻两条侧棱延长线所形成的夹角2c小于20°，棱台高度以及夹角与光线入射角及光线在大端面的入射位置有关，要确保光线以一定的角度入射后在上层正四棱台侧面上发生全反射。
本发明所述的中层正四棱台高度为3～10mm，相邻两条侧棱延长线所形成的夹角2b为20°～30°，棱台高度以及夹角与光线入射角及光线在大端面的入射位置有关，要确保光线以一定的角度入射后在中层正四棱台侧面上发生全反射。
本发明所述的下层正四棱台高度为3～20mm，相邻两条侧棱延长线所形成的夹角2a为30°～40°,棱台高度以及夹角与光线入射角及光线在大端面的入射位置有关，要确保光线以一定的角度入射后在下层正四棱台侧面上发生全反射。
本发明所述的多面锥体棱镜大端面大小为11×11～25×25mm2，小端面大小为5×5～10×10mm2，上端面与下端面的面积比约为2：1。
本发明所述的多面锥体棱镜采用K9或同等光学玻璃。
本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明所述的多面锥体棱镜为3阶锥体，光线从大端面不同位置入射，光线经过折射后在不同的侧面反射，因为2a>2b>2c,相同角度的光线在不同阶面反射后的反射角不相同，确保最终都可以从多面锥体棱镜的小端面折射出去。本发明中多面锥体棱镜的各个角度和尺寸设计避免光线在进入该光学元件后从内壁折射出，同时保证光线在小端面不发生全反射，只发生折射，从而从小端面折射出。
附图说明
图1为本发明立体结构示意图。
图2为本发明主视结构示意图。
图3为本发明俯视结构示意图。
图4为本发明实施例中光线入射区域示意图。
图5为本发明实施例中光线从M1区域入射示意图。
图6为本发明实施例中光线从M2区域入射示意图。
图7为本发明实施例中光线从M3区域入射示意图。
图8为本发明实施例中光线从M4区域入射示意图。
图9为现有技术结构示意图。
具体实施方式
参见图1-图3，多面锥体棱镜1采用K9光学玻璃材料制成，形状为由下至上大小递增的三个正四棱台叠加而成，中层正四棱台12上底面A1A2A3A4与上层正四棱台11的下底面重合，中层正四棱台12的下底面B1B2B3B4与下层正四棱台13的上底面重合。多面锥体棱镜1整体包括14个外表面，所述的14个外表面分别为位于多面锥体棱镜1两端的大端面F面和小端面E面，F面为正方形C1C2C3C4，E面为正方形E1E2E3E4，且两者平行。外表面还包括12个等腰梯形侧面：上层正四棱台11的4个侧面分别为C1C2B1B2、C1C4B1B4、C3C4B3B4和C2C3B2B3，中层正四棱台12的4个侧面分别为A1A2B1B2、A1A4B1B4、A3A4B3B4和A2A3B2B3，下层正四棱台13的4个侧面分别为A1A2E1E2、A1A4E1E4、A3A4E3E4和A2A3E2E3。
所述的上层正四棱台11的高度H1为高度为2～15mm，相邻两条侧棱延长线所形成的夹角2c小于20°。中层正四棱台12的高度H2为3～10mm，相邻两条侧棱延长线所形成的夹角为2b为30°～40°。下层正四棱台13的高度H3为3～20mm，相邻两条侧棱延长线所形成的夹角为2a为30°～40°。大端面F面大小为121～625mm2，小端面E面大小为25～100mm2。
参见图4，将多面锥体棱镜1的大端面F面分为M1、M2、M3、M4部分，其中M1=M2+M3+M4，M2=H3（tagθ+ taga），M3=H2（tagθ+ tagb），M4=H1（tagθ+ tagC）(θ为入射光线在大端面F的折射角) 。
光线从多面锥体棱镜1的大端面F面进入，多面锥体棱镜1采用K9玻璃，光线在K9玻璃中的临界角为41.26°。
参见图5~图8，当光线以某入射角分别从多面锥体棱镜1的大端面F面上的M1、M2、M3、M4部分入射，入射角均为17°，折射角θ= arc(                                               
Figure DEST_PATH_IMAGE002
)=11.13°，举例说明。
1、）当光线1、光线2从M1的边界入射,只要边界的入射光线能从E面折射出,M1内部的光线都可以从E面折射出(如图5),光线1、光线2经折射后进入元件内部,传播到E面后折射出。
2、）同例当光线2、光线3从M2的边界位置入射（如图6）,经F面折射角为11.13°,光线入射到侧面A2A3E2E3时(法线1与侧面A2A3E2E3垂直),入射角为65.38°,入射角大于临界角,光线2、光线3发生全反射,光线2、光线3入射E面时,入射角为38.12°小于临界角,折射角为65.25°,光线从E面折射出。
3、）同例当光线3、光线4从M3的边界位置入射（如图7）,经F面折射角为11.13°,光线入射到侧面A2A3B2B3时(法线2与侧面A2A3B2B3垂直),入射角为66.58°,入射角大于临界角,光线3、光线4发生全反射,光线3、光线4入射E面时,入射角为35.72°小于临界角,折射角为59.77°,光线从E面折射出。
4、）同例当光线4、光线5从M4的边界位置入射（如图8）,经F面折射角为11.13°,光线入射到侧面C2C3B2B3时(法线2与侧面C2C3B2B3垂直),入射角为70.08°,入射角大于临界角,光线3、光线4发生全反射,光线3、光线4入射E面时,入射角为28.72°小于临界角,折射角为44.02°,光线从E面折射出。
虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于聚光光伏太阳能系统的多面锥体棱镜，其特征在于：所述的多面锥体棱镜形状为由下至上大小递增的三个正四棱台叠加而成，中层正四棱台的上底面与上层正四棱台的下底面重合，中层正四棱台的下底面与下层正四棱台的上底面重合，多面锥体棱镜整体包括14个外表面，所述的14个外表面分别为一大一小上下平行的两个正方形端面，以及12个等腰梯形侧面。
2.根据权利要求1所述的用于聚光光伏太阳能系统的多面锥体棱镜，其特征在于：所述的上层正四棱台高度为2～15mm，相邻两条侧棱延长线所形成的夹角小于20°。
3.根据权利要求1所述的用于聚光光伏太阳能系统的多面锥体棱镜，其特征在于：所述的中层正四棱台高度为3～10mm，相邻两条侧棱延长线所形成的夹角为20°～30°。
4.根据权利要求1所述的用于聚光光伏太阳能系统的多面锥体棱镜，其特征在于：所述的下层正四棱台高度为3～20mm，相邻两条侧棱延长线所形成的夹角为30°～40°。
5.根据权利要求1所述的用于聚光光伏太阳能系统的多面锥体棱镜，其特征在于：所述的多面锥体棱镜大端面大小为121～625mm2，小端面大小为25～100mm2。
6.根据权利要求1-5任一所述的用于聚光光伏太阳能系统的多面锥体棱镜，其特征在于：所述的多面锥体棱镜采用K9玻璃材料制成。
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