CN102928895A - 非球面聚光透镜及聚光太阳能照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非球面聚光透镜及聚光太阳能照明系统，该透镜包括两个相对设置的镜面，其中一个镜面为平面，另一个镜面为一曲面并由曲线旋转形成，所述曲线在y轴和z轴构成的平面坐标系中满足：其中：R=78.292，K=-0.586593，y为沿y轴方向的变量，z为沿z轴方向的变量；所述曲面由该曲线绕z轴旋转而成。本发明通过对非球面聚光透镜曲面的设计，使得太阳光经透镜折射后在焦点汇聚成焦斑，焦斑的直径可控制在1mm以内，大大提高了聚光效果，并能用在太阳光照明系统中利用太阳光汇聚后再扩散直接用于照明。

Description

非球面聚光透镜及聚光太阳能照明系统

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其是一种非球面聚光透镜及聚光太阳能照明系统。

背景技术

太阳能是取之不尽、用之不竭的可再生资源，随着太阳能发电技术的日益成熟，备受人们青睐。近年来，太阳能的应用在全球越来越广泛，特别是在野外，如高速公路路灯、隧道照明等行业，太阳能电源系统正逐步取代一些传统的电源设备，得到越来越普遍的应用。

目前的太阳能聚光组件通常采用非球面聚光透镜作为汇聚太阳光的单一透镜，非球面透镜其中一个面各处的曲率半径随离光轴的高度变化而变化，从而实现最小球差；另一面是凸面或平面。此类透镜可以实现球面透镜做不到的短焦距聚光，一般采用玻璃压制而成，从而方便地实现不易研磨的复杂表面的制造；但是，现有的非球面聚光透镜主要用于太阳能发电，在透镜的焦斑处设置太阳能电池，以接收汇聚后的太阳光，并将其转换为电能，不能将焦斑控制在很小的范围内，焦斑直径通常大于3mm，此类非球面透镜如果直接将太阳光汇聚后再扩散直接用于照明，往往由于焦斑较大而无法取得理想的应用效果。

发明内容

本发明提供一种非球面聚光透镜及聚光太阳能照明系统，用于克服现有技术中的缺陷，提高非球面透镜的聚光效果，缩小焦斑，并提高照明系统对太阳光的利用率，照明效果理想。

本发明提供一种非球面聚光透镜，该透镜包括两个相对设置的镜面，其中一个镜面为平面，另一个镜面为一曲面并由曲线旋转形成，所述曲线在y轴和z轴构成的平面坐标系中满足：

$z=y^2/R(1+\sqrt{1-(1+k)y^2/R^2})$

其中：R=78.292，K=-0.586593，y为沿y轴方向的变量，z为沿z轴方向的变量；所述曲面由该曲线绕z轴旋转而成。

本发明通过对非球面聚光透镜曲面的设计，使得太阳光经透镜折射后在焦点汇聚成焦斑，焦斑的直径可控制在1mm以内，大大提高了聚光效果，并能用在太阳光照明系统中利用太阳光汇聚后再扩散直接用于照明。

本发明还提供一种聚光太阳能照明系统，该系统由太阳跟踪器、聚光元件、光传导元件和末端散光器构成，所述聚光元件为上述的非球面聚光透镜。

本发明提供的聚光太阳能照明系统，通过太阳能跟踪器追踪太阳光入射角度调整聚光元件，使得太阳光始终垂直照射聚光元件入射面，经聚光元件后汇聚呈焦斑，再通过光传导元件把汇聚的太阳光通过末端散光器扩散到需要光照的空间，由于聚光元件使用上述非球面聚光透镜，大大缩小焦斑，在经光传导元件传输的过程中降低了能量损失，大大提高了太阳光的利用率和照明效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的非球面聚光透镜的截面示意图；

图2为本发明实施例提供的非球面聚光透镜的使用状态参考图；

图3为本发明实施例提供的聚光太阳能照明系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1-2所示，本发明实施例提供一种非球面聚光透镜，该透镜包括两个相对设置的镜面，其中一个镜面为平面1，另一个镜面为一曲面2并由曲线20旋转形成，曲线20在y轴和z轴构成的平面坐标系中满足：

$z=y^2/R(1+\sqrt{1-(1+k)y^2/R^2})$

其中：R=78.292，K=-0.586593，y为沿图2所示y轴方向的变量，z为沿图2所示z轴方向的变量，曲面2由曲线20绕z轴旋转而成。

本发明通过对非球面聚光透镜曲面2的设计，太阳光线经曲面2折射在经平面1折射后在焦点汇聚成焦斑3，使得焦斑3的直径可控制在1mm以内，焦斑3的大小与曲面2的形状有直接关系，本方案的透镜大大提高了聚光效果，并能用在太阳光照明系统中，利用太阳光汇聚后再扩散直接用于照明。该透镜曲面2最高点到平面1之间的距离d为15mm，该透镜的直径∮为84mm。后焦距的大小取决于透镜曲面2的形状、透镜的厚度即透镜曲面2最高点到平面1之间的距离d及透镜的直径∮，如图3所示，本法案能够将后焦距即焦斑到非球面聚光透镜平面1之间的垂直距离L在149.5mm~105.5mm之间，后焦距太大的话，在能量传输时会造成大量损失，后焦距太小的话，曲面的曲率较大，在制作过程中难度较大，曲面2的面型误差难以控制在λ/2以内，制造成本会大大增加，因此需要将后焦距设置在一个合理范围即149.5mm~105.5mm之间内，才能兼顾能量过程损失与制造成本两方面因素并将其对透镜性能的影响控制在最小范围内。透镜曲面2的面型误差通常需要控制在λ/2以内，λ为可见光波长，承受温度在-40度~50度之间，才能满足使用条件。

如图1所示，为了增加可见光透过率，使得可见光全部透过透镜汇聚在焦点上，在曲面2上镀有用于增加可见光透过率的增透膜4。

为了截止太阳光中的紫外线等有害光线，在平面1上镀有用于过滤掉紫外线的紫外截止膜5。

如图3所示，本发明实施例还有一种聚光太阳能照明系统，该系统由太阳跟踪器6、聚光元件7、光传导元件8和末端散光器9构成，聚光元件7为任意实施例的非球面聚光透镜。

太阳能跟踪器是成熟技术，常用在太阳能发电系统中，通常由一个能够跟踪太阳光线照射角度的球形仪和一个更够使聚光元件转动的旋转装置以及根据太阳光线照射角度使旋转装置将聚光元件转动至其镜面始终与太阳光线垂直的控制装置构成，球形仪对太阳光线的照射角度实时跟踪，并把太阳光的入射角传递给控制装置，控制装置会根据太阳光的当前入射角与聚光元件镜面的当前角度进行计算，得出聚光元件转动的角度，并把该转动角度的指令发送给旋转装置，旋转装置执行该指令将聚光元件转动至指定角度，确保太阳光始终直射聚光元件镜面，以最大限度的接收太阳光。

本发明提供的聚光太阳能照明系统，通过太阳能跟踪器追踪太阳光入射角度并调整聚光元件，使得太阳光始终垂直照射聚光元件入射面，经聚光元件后汇聚呈焦斑，再通过光传导元件把汇聚的太阳光通过末端散光器扩散到需要光照的空间，由于聚光元件使用上述非球面聚光透镜，大大缩小了焦斑，在经光传导元件传输的过程中降低了能量损失，大大提高了太阳光的利用率和照明效果。

光传导元件8为光纤，光纤一端置于非球面聚光透镜的焦斑3处，另一端正对末端散光器9的入射端。采用的非球面聚光透镜能够可以将焦斑控制在1mm以内，因此可采用能量过程损失较小的光纤来传输光。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种非球面聚光透镜，该透镜包括两个相对设置的镜面，其中一个镜面为平面，另一个镜面为一曲面并由曲线旋转形成，其特征在于，所述曲线在y轴和z轴构成的平面坐标系中满足：

$z=y^2/R(1+\sqrt{1-(1+k)y^2/R^2})$

其中：R=78.292，K=-0.586593，y为沿y轴方向的变量，z为沿z轴方向的变量；所述曲面由该曲线绕z轴旋转而成。

2.根据权利要求1所述的非球面聚光透镜，其特征在于，该透镜的曲面最高点到平面之间的距离为15mm，该透镜的直径为84mm。

3.根据权利要求1或2所述的非球面聚光透镜，其特征在于，所述曲面上镀有用于增加可见光透过率的增透膜。

4.根据权利要求1或2所述的非球面聚光透镜，其特征在于，所述平面上镀有用于过滤掉紫外线的紫外截止膜。

5.一种聚光太阳能照明系统，该系统由太阳跟踪器、聚光元件、光传导元件和末端散光器构成，其特征在于，所述聚光元件为上述权利要求1-4任一所述的非球面聚光透镜。

6.根据权利要求5所述的聚光太阳能照明系统，所述光传导元件为光纤，所述光纤一端置于所述非球面聚光透镜的焦斑处，另一端正对所述末端散光器的入射端。

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