CN103022205B - 一种线聚光透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种线聚光透镜，所述透镜上端面为透镜聚光折射面，其下端面为平整面，其所述透镜横向延伸呈长条状，所述透镜能够将相互平行的入射光线折射到设置于透镜下方的电池接收板上从而形成线型聚光光线。本发明只有一个反射截面，理论透过率可达到94%以上,相对于菲涅尔透镜的聚光光伏组件，其能够使更多的光线被太阳能电池吸收；而且通过本发明汇聚的光斑能够均匀的分布在太阳能电池上，相对于一般的聚光器，光斑更均匀，能够有效降低了电池内部产生的横向电流，从而提高光电转换效率；本发明还减少了电池光伏组件中对于光伏电池的用量，降低了成本。

Description

一种线聚光透镜
技术领域
本发明属于太阳能利用技术领域，特别涉及一种在聚光光伏技术中用于将太阳光汇聚并投射到电池接收板上的线型聚光透镜。
背景技术
太阳能具有清洁、无资源地域限制、对人类来说永无枯竭等优良特性，越来越受到人们的青睐，其中太阳能光伏利用即太阳光通过光伏器件直接转换成电能的技术尤其引人注目。但由于光伏系统中的光伏电池价格昂贵，致使现阶段光伏发电的发电成本较常规发电成本高出数倍，因此光伏技术还没有迎来大规模应用的时代。
在目前的情况下，降低光伏发电成本的有效途径之一就是聚光应用，即将太阳光汇聚起来，再投射到光伏电池上，以较少的太阳电池发出与聚光器入射面积相当的电量，有效提高光伏电池的利用效率。采用聚光的方法，用比较便宜的聚光器来部分代替昂贵的光伏电池，很大程度上降低了光伏发电的成本。
目前绝大多数CPV采用点聚光技术，所使用的聚光透镜为菲涅尔透镜，菲涅尔透镜的基本工作原理为：假设一个透镜的折射能量仅仅发生在光学表面（如：透镜表面），拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度。尽管目前菲涅尔透镜已在CPV技术中大量运用，但还是面临几个主要问题：（1）由于透镜的同心圆结构，加上在生产工艺中的某些技术因素（如拔模斜度）的影响，从而使得入射光的能量损失较大，一般菲涅尔透镜的光学透射小于80%；（2）菲涅尔透镜只运用在中高倍CPV技术中，因此对太阳跟踪器的跟踪精度有较高要求，从而增加了跟踪系统的成本；（3）目前，菲涅尔透镜的价格仍然相对较高，还不能非常有效地降低光伏发电成本。
运用在CPV技术中还有其他一些点聚光的球面或非球面的聚光透镜，尽管同菲涅尔透镜相比其光线透过率较高，但由于所用光学材料数量较大或生产加工工艺较为复杂，使得在成本上也很难进行有效控制，所以这类聚光透镜的使用量也较为局限。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种能够将太阳光汇聚并均匀分布在电池接收板上的线聚光透镜。
本发明的技术方案是这样实现的：一种线聚光透镜，所述透镜上端面为透镜聚光折射面，其下端面为平整面，其特征在于：所述透镜横向延伸呈长条状，所述透镜能够将相互平行的入射光线折射到设置于透镜下方的电池接收板上从而形成线型聚光光线，若其中任意一条入射光线和所述透镜聚光折射面的接触点与该透镜垂直中轴之间的垂直距离为x，该入射光线经透镜折射到所述电池接收板上后形成的投影点与所述线型聚光光线长度方向中心线的垂直距离为m，所述透镜聚光折射面边缘到垂直中轴的垂直距离为a，经所述透镜聚光折射面边缘折射的入射光线在电池接收板上的投影点与所述线型聚光光线长度方向中心线的垂直距离为b，则该透镜满足的条件为x/m=a/b，其中，所述该入射光线的入射点与透镜聚光折射面两侧边缘构成的垂直面与所述线型聚光光线长度方向中心线垂直，该垂直面上部为透镜聚光折射面的轮廓形状，所述入射光线经过透镜聚光折射面时的入射角为β，折射角为θ，该入射光线经折射后的光线与电池接收板的夹角为α，所述透镜聚光折射面边缘与电池接收板的垂直距离为h，在该垂直面中，由垂直中轴以及透镜聚光折射面两侧边缘连线构成平面坐标系，以透镜聚光折射面两侧边缘连线中点为坐标原点，该垂直面上部的透镜聚光折射面的轮廓形状在所述平面坐标系中的曲线方程，由以下公式得出：
公式1：x/m=a/b，x=a-N*Δx，其中Δx是一个在X轴方向上很小的距离，N是Δx的个数；
公式2：yn=yn-1+Δx*tanβ；
公式3：tanα=（h+yn）/（a-m），m=b-N*Δx*b/a；
公式4：sinβ=n*sinθ，其中系数n为透镜折射率；
公式5：α-θ+β=π/2，即θ=（α+β）-π/2；
公式6：sinβ=n*sin[（α+β）-π/2]= n*[-cos（α+β）]=n*（sinα*sinβ-cosα*cosβ）；
公式7：tanβ=n*cosα/（n*sinα-1）；
其中，a、b、h、n、Δx为已知，且y0=0，变量x为所述透镜聚光折射面上任意一点与该垂直面上垂直中轴之间的横向距离，变量y为该点与透镜聚光折射面两侧边缘所在的平面之间的纵向距离。
本发明所述的线聚光透镜，其所述透镜聚光折射面在垂直面上的轮廓形状为具有多边形的结构，随着Δx取值变小，透镜聚光折射面的多边形边数越多，直至构成圆滑的线型弧形聚光曲面，其中，Δx应满足的条件为a/Δx=M，M为任意一个整数，2000＜a/Δx＜10000。
本发明所述的线聚光透镜，其所述透镜聚光折射面边缘到垂直中轴的垂直距离a以及经所述透镜聚光折射面边缘折射的入射光线在电池接收板上的投影点与所述线型聚光光线长度方向中心线的垂直距离b，其满足以下条件：1＜a/b≤10。
本发明所述的线聚光透镜，其所述透镜聚光折射面边缘到透镜下端平整面的垂直距离为h，所述透镜下端面与电池接收板上端面对应连接。
本发明所述的线聚光透镜，其所述透镜沿垂直中轴对称或不对称。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明减少了电池光伏组件中，对于光伏电池的用量，降低了成本。
2、本发明只有一个反射截面，理论透过率可达到94%以上，相对于菲涅尔透镜的聚光光伏组件，其能够使更多的光线被太阳能电池吸收。
3、通过本发明汇聚的光斑能够均匀的分布在太阳能电池上，相对于一般的聚光器，光斑更均匀，有效降低了电池内部产生横向电流，从而提高光电转换效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2和图3是根据Δx的不同取值得到的透镜聚光折射面的截面轮廓图。
图4是采用传统透镜作为聚光透镜后光斑能量分布图。
图5是采用传统透镜作为聚光透镜后光斑能量分布曲线。
图6是采用本发明的线聚光透镜后光斑能量分布图。
图7是采用本发明的线聚光透镜后光斑能量分布曲线。
图8是本发明的线聚光透镜阵列的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种线聚光透镜，所述透镜上端面为透镜聚光折射面，其下端面为平整面，所述透镜横向延伸呈长条状，所述透镜能够将相互平行的入射光线折射到设置于透镜下方的电池接收板上从而形成线型聚光光线，若其中任意一条入射光线1和所述透镜聚光折射面的接触点与该透镜垂直中轴2之间的垂直距离为x，该入射光线1经透镜折射到所述电池接收板上后形成的投影点与所述线型聚光光线长度方向中心线的垂直距离为m，所述透镜聚光折射面边缘到垂直中轴2的垂直距离为a，经所述透镜聚光折射面边缘折射的入射光线在电池接收板上的投影点与所述线型聚光光线长度方向中心线的垂直距离为b，则该透镜满足的条件为x/m=a/b，其中，所述该入射光线1的入射点与透镜聚光折射面两侧边缘构成的垂直面与所述线型聚光光线长度方向中心线垂直，该垂直面上部为透镜聚光折射面的轮廓形状，所述入射光线1经过透镜聚光折射面时的入射角为β，折射角为θ，该入射光线1经折射后的光线与电池接收板的夹角为α，所述透镜聚光折射面边缘与电池接收板的垂直距离为h，在该垂直面中，由垂直中轴2以及透镜聚光折射面两侧边缘连线构成平面坐标系，以透镜聚光折射面两侧边缘连线中点为坐标原点，该垂直面上部的透镜聚光折射面的轮廓形状在所述平面坐标系中的曲线方程，由以下公式得出：
公式1：x/m=a/b，x=a-N*Δx，其中Δx是一个在X轴方向上很小的距离，N是Δx的个数；
公式2：yn=yn-1+Δx*tanβ；
公式3：tanα=（h+yn）/（a-m），m=b-N*Δx*b/a；
公式4：sinβ=n*sinθ，其中系数n为透镜折射率；
公式5：α-θ+β=π/2，即θ=（α+β）-π/2；
公式6：sinβ=n*sin[（α+β）-π/2]= n*[-cos（α+β）]=n*（sinα*sinβ-cosα*cosβ）；
公式7：tanβ=n*cosα/（n*sinα-1）；
其中，a、b、h、n、Δx为已知，且y0=0，变量x为所述透镜聚光折射面上任意一点与该垂直面上垂直中轴之间的横向距离，变量y为该点与透镜聚光折射面两侧边缘所在的平面之间的纵向距离。
所述透镜聚光折射面边缘到垂直中轴2的垂直距离a以及经所述透镜聚光折射面边缘折射的入射光线在电池接收板上的投影点与所述线型聚光光线长度方向中心线的垂直距离b，其满足以下条件：1＜a/b≤10时，效果最好，这是一个优选值，不是硬性条件。
其中，所述透镜聚光折射面在垂直面上的轮廓形状为具有多边形的结构，随着Δx取值变小，透镜聚光折射面的多边形边数越多，直至构成圆滑的线型弧形聚光曲面。
例如：当入口条件分别为：a=3，b=0.5，h=7.5，n=1.51893时；若Δx=3，可计算得到2个点，坐标分别为（3，0）和（0，3.267658），在得到的点关于y轴对称得到的整个曲面则为如图2所示的形状。
若Δx=1.5，可计算得到3个点，坐标分别为（3，0）、（1.5，1.633829）和（0，2.245685），在得到的点关于y轴对称得到的整个曲面则为如图3所示的形状。
以此类推，可以得到各种边形的多边形结构透镜聚光折射面，其中，Δx应满足的条件为a/Δx=M，M为任意一个整数，当Δx足够小的时候，我们就得到了一个平滑的线型弧形聚光曲面，且为了得到尽可能高的透过率，我们的Δx一般都会非常小，同时为了便于模型建立及满足加工要求，一般我们取2000＜a/Δx＜10000。
其中，所述透镜聚光折射面边缘到透镜下端平整面的垂直距离为h，所述透镜下端面与电池接收板上端面对应连接，所述透镜沿垂直中轴2对称或不对称。
如图4和5所示，为采用传统透镜作为聚光透镜后光斑能量分布图和分布曲线，在光斑能量分布图中光斑两侧边缘部分亮度最高，其中部亮度较暗，反应在光斑能量分布曲线上则为曲线两侧峰值较高，而中部则骤然降低。由图4和5可知，采用传统透镜作为聚光透镜后光斑能量集中在光斑两侧边缘部分，能量分布极不均匀。如图6和7所示，为采用本发明的线聚光透镜后光斑能量分布图和分布曲线，在光斑能量分布图中光斑亮度基本一致，反应在光斑能量分布曲线上则为整个曲线基本处于相同能量水平线上，能量分布比较均匀。
如图8所示，所述线聚光透镜可根据需要阵列成不同大小尺寸的线聚光器。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种线聚光透镜，所述透镜上端面为透镜聚光折射面，其下端面为平整面，其特征在于：所述透镜横向延伸呈长条状，所述透镜能够将相互平行的入射光线折射到设置于透镜下方的电池接收板上从而形成线型聚光光线，若其中任意一条入射光线（1）和所述透镜聚光折射面的接触点与该透镜垂直中轴（2）之间的垂直距离为x，该入射光线（1）经透镜折射到所述电池接收板上后形成的投影点与所述线型聚光光线长度方向中心线的垂直距离为m，所述透镜聚光折射面边缘到垂直中轴（2）的垂直距离为a，经所述透镜聚光折射面边缘折射的入射光线在电池接收板上的投影点与所述线型聚光光线长度方向中心线的垂直距离为b，则该透镜满足的条件为x/m=a/b，其中，所述该入射光线（1）的入射点与透镜聚光折射面两侧边缘构成的垂直面与所述线型聚光光线长度方向中心线垂直，该垂直面上部为透镜聚光折射面的轮廓形状，所述入射光线（1）经过透镜聚光折射面时的入射角为β，折射角为θ，该入射光线（1）经折射后的光线与电池接收板的夹角为α，所述透镜聚光折射面边缘与电池接收板的垂直距离为h，在该垂直面中，由垂直中轴（2）以及透镜聚光折射面两侧边缘连线构成平面坐标系，以透镜聚光折射面两侧边缘连线中点为坐标原点，该垂直面上部的透镜聚光折射面的轮廓形状在所述平面坐标系中的曲线方程，由以下公式得出：
公式1：x/m=a/b，x=a-N*Δx，其中Δx是一个在X轴方向上很小的距离，N是Δx的个数；
公式2：yn=yn-1+Δx*tanβ；
公式3：tanα=（h+yn）/（a-m），m=b-N*Δx*b/a；
公式4：sinβ=n*sinθ，其中系数n为透镜折射率；
公式5：α-θ+β=π/2，即θ=（α+β）-π/2；
公式6：sinβ=n*sin[（α+β）-π/2]= n*[-cos（α+β）]=n*（sinα*sinβ-cosα*cosβ）；
公式7：tanβ=n*cosα/（n*sinα-1）；
其中，a、b、h、n、Δx为已知，且y0=0，变量x为所述透镜聚光折射面上任意一点与该垂直面上垂直中轴之间的横向距离，变量y为该点与透镜聚光折射面两侧边缘所在的平面之间的纵向距离。
2.根据权利要求1所述的线聚光透镜，其特征在于：所述透镜聚光折射面在垂直面上的轮廓形状为具有多边形的结构，随着Δx取值变小，透镜聚光折射面的多边形边数越多，直至构成圆滑的线型弧形聚光曲面，其中，Δx应满足的条件为a/Δx=M，M为任意一个整数，2000＜a/Δx＜10000。
3.根据权利要求2所述的线聚光透镜，其特征在于：所述透镜聚光折射面边缘到垂直中轴（2）的垂直距离a以及经所述透镜聚光折射面边缘折射的入射光线在电池接收板上的投影点与所述线型聚光光线长度方向中心线的垂直距离b，其满足以下条件：1＜a/b≤10。
4.根据权利要求3所述的线聚光透镜，其特征在于：所述透镜聚光折射面边缘到透镜下端平整面的垂直距离为h，所述透镜下端面与电池接收板上端面对应连接。
5.根据权利要求4所述的线聚光透镜，其特征在于：所述透镜沿垂直中轴（2）对称或不对称。
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