CN104730602B - 一种聚焦透镜 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种聚焦透镜。由纵向和横向数量相等的小棱镜依次排列为方形结构，其中，纵向和横向的小棱镜数量为奇数；小棱镜的横截面为方形；在聚焦透镜面向光线的一侧，所有小棱镜的端面位于同一平面内；在聚焦透镜面向太阳能电池的一侧，除位于方形结构中心位置的小棱镜外，其他所有的小棱镜均具有一个斜面；所述斜面的倾斜方向均指向太阳能电池接收面所在位置，从而保证光线经过斜面后到达太阳能电池接收表面。本发明形成的辐照度均匀性以及聚光比在较宽光谱范围内对入射光的波长变化不敏感。

Description

一种聚焦透镜

技术领域

本发明属于太阳能光学技术领域，具体涉及一种在宽光谱范围产生均匀方形光斑的方形聚焦透镜。

背景技术

聚焦透镜是聚焦光伏发电系统的重要组成部分之一。以塑料和玻璃为材料的聚焦透镜，具有高透光性，质量轻，成本低廉以及制造方便等优点。相比价格较高的光伏电池，廉价的聚焦透镜通过聚焦太阳光，提高太阳能辐照密度，达到减少电池使用面积的目的。由于聚焦光斑过度集中形成的热斑,导致电池表面局部高温,电池发电效率降低,更为严重的情况可能导致电池因灼伤而失效,同时也不利于电池散热以及热能的后续利用。聚焦光斑的形状和均匀性由聚焦透镜的设计结构决定。

目前，国内外设计的折射(包括折射与全内反射结合)聚焦系统按聚光元件的数目可分为二级聚光系统和一级聚光系统。二级聚光系统主要部件为一级光学元件和二级光学元件，二级光学元件接收一级光学元件聚焦的集中度较高的太阳辐照，通过二级光学元件将集中的太阳辐照重新分布成均匀的太阳辐照，最后到达光伏电池表面。二级聚光系统能够获得均匀度较高的辐照度分布，但是增加了聚光系统的制造成本以及安装难度。一级聚光系统相对二级聚光系统制造成本低，但是聚焦于电池表面的辐照度均匀性低。文献1(J.Mendes-Lopes,et.al,9-fold Fresnel-Kohler concentrator with Fresnel lens ofvariable focal point,Optics express,2014)二级光学元件采用9褶皱科勒积分器，每块褶皱对应一级光学元件的相应部分，通过科勒积分器形成均匀度较高的辐照度分布。文献2(K.Ryu,et.al,Concept and design of modular Fresnel lenses for concentration solar PVsystem,Solar energy,2006)采用方形模块化菲涅尔透镜，通过光斑重叠形成均匀方形光斑。上述第一种聚焦透镜设计采用二级聚光设计，成本较高，到达接收面的光斑均匀性较高。第二种聚焦透镜设计采用一级聚光设计，成本低，光斑均匀性相对较低，而且每个模块小棱镜的尺寸限制了光斑的尺寸，无法形成一厘米级别的光斑。上述二级聚光系统，一级聚光元件产生的高度集中的太阳辐照可能灼伤二级聚光元件。上述一级聚光设计没有考虑太阳波长对辐照均匀性和聚光比的影响。

发明内容

本发明的目的在于提出一种在宽光谱范围内，形成均匀辐照度分布的方形聚焦透镜，该聚焦透镜形成的辐照度均匀性以及聚光比在较宽光谱范围内对入射光的波长变化不敏感。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种聚焦透镜，由纵向和横向数量相等的小棱镜依次排列为方形结构，其中，纵向和横向的小棱镜数量为奇数；小棱镜的横截面为方形；在聚焦透镜面向光线的一侧，所有小棱镜的端面位于同一平面内；在聚焦透镜面向太阳能电池的一侧，除位于方形结构中心位置的小棱镜外，其他所有的小棱镜均具有一个斜面；所述斜面的倾斜方向均指向太阳能电池接收面所在位置，从而保证光线经过斜面后到达太阳能电池接收表面。

较佳地，位于所述方形结构中心以及对角线上的小棱镜，其横截面为正方形，且由中心向外，每一小棱镜的边长逐渐增大；方形结构中，除中心以及对角线上的小棱镜外，其它小棱镜的横截面为长方形，其中，同一列内每个小棱镜的宽度相等，同一行内每个小棱镜的长度相等。

较佳地，位于方形结构中心的小棱镜，其边长等于太阳能电池接收面的边长；对于纵向中轴线上的小棱镜，每个小棱镜的宽度等于太阳能电池接收面的边长；对于横向中轴线上的小棱镜，每个小棱镜在长度等于太阳能电池接收面的边长。

较佳地，纵向中轴线上小棱镜的斜面关于中心小棱镜对称设置，横向中轴线上小棱镜的斜面关于中心小棱镜对称设置；位于方形结构纵向中轴线上的每个小棱镜以及位于横向中轴线上的每个小棱镜的棱镜，其棱镜角α以及边长尺寸由迭代公式(1)，(2)和(3)依次计算获得，

${\mathrm{\β}}_{i+1}=\arctan \left\{\frac{\sin \left[\arctan \left(\frac{{\mathrm{\Σ}}_{k=0}^i{l}_k}{f}\right)\right]}{n-\cos \left[\arctan \left(\frac{{\mathrm{\Σ}}_{k=0}^i{l}_k}{f}\right)\right]}\right\}---\left(1\right)$

α_i+1＝β_i+1 (2)

$l_{i+1}=\frac{d}{1-\tan {\mathrm{\β}}_{i+1}\tan ({\mathrm{\β}}_{i+1}^{\text{'}}-{\mathrm{\β}}_{i+1})}---\left(3\right)$

公式(1)，(2)和(3)中，d为太阳能电池的接收面边长尺寸，f为聚焦透镜焦距，n为制造聚焦透镜的光学材料对某一波长的折射率，下标i表示由位于中心的小棱镜依次向外的每个小棱镜的编号，中心小棱镜的编号为0，其他小棱镜的编号，依次向外为1、2、3等等；β为入射光线与小棱镜斜面法线的夹角；β’为入射角β对应的折射角，对于光线垂直于聚焦透镜面向光线一侧入射的情况，棱镜角α与入射角β值相等，k表示求和号中每项的序号；l对于纵向中轴线上的小棱镜来说，其表示每个小棱镜的长度，对于横向中轴线上的小棱镜来说，其表示每个小棱镜的宽度；

对角线上的小棱镜的边长及棱镜角α可由公式(4)、(5)和(6)计算获得，

${\mathrm{\β}}_{(i,i)}=\arctan \left\{\frac{\sin \left[\arctan \left(\frac{l_i^{\text{'}}}{f}\right)\right]}{n-\cos \left[\arctan \left(\frac{l_i^{\text{'}}}{f}\right)\right]}\right\}---\left(4\right)$

α(i,i)＝β(i,i) (5)

公式(4)、(5)和(6)中，棱镜角α与入射角β括号中的参数表示小棱镜编号，l_i为中间变量，为简化公式而定义，对角线上小棱镜斜面关于对角线对称；

除中轴线和对角线外，其余小棱镜的棱镜角α由公式(7)、(8)、(9)和(10)计算获得：

${\mathrm{\β}}_{(i,j)}=\arctan \left\{\frac{\sin \left[\arctan \left(\frac{l(i,j)}{f}\right)\right]}{n-\cos \left[\arctan \left(\frac{l(i,j)}{f}\right)\right]}\right\}---\left(7\right)$

α(i,j)＝β(i,j)(8)

$l(i,j)={\mathrm{\Σ}}_{k=1}^i{l}_k\cos \mathrm{\γ}(i,j)+{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^j{w}_k\sin \mathrm{\γ}(i,j)---\left(9\right)$

$\mathrm{\γ}(i,j)=\arctan \frac{{\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{j-1}{w}_k}{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^i{l}_k}---\left(10\right)$

公式(7)、(8)、(9)和(10)中，棱镜角α与入射角β括号中的参数表示小棱镜编号，如图所示，l(i,j)为计算棱镜角而定义的变量，γ为小棱镜偏离中轴线的角度，括号内参数为小棱镜编号。

较佳地，整个聚焦透镜以横向中轴线和纵向中轴线为界划分为四个部分；中轴线上小棱镜的尺寸和棱镜角按照相同波长计算确定，四个部分分别按照四个不同的波长确定其小棱镜的尺寸和棱镜角。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于，(1)光线通过每块尺寸不同但又相近的、横截面为方形小棱镜，形成的尺寸相近的方形光斑叠加于太阳能电池接收表面，对于垂直入射太阳光，能在较宽光谱范围(400nm-1600nm)，形成方形均匀光斑覆盖接收表面；(2)聚焦透镜四个部分，根据对应波长设计得到不同的棱镜角，每个部分对应不同波长入射时，能够独立形成方形均匀光斑，组成整个聚焦透镜后，形成的光斑分布相互补偿，在较宽光谱范围(400nm-1600nm)聚焦透镜形成的光斑均匀度和聚光比对波长变化不敏感；(3)小棱镜横截面的边长尺寸与太阳能电池接收面尺寸近似，根据实际应用中太阳能电池接收面的尺寸要求进行设计，接收表面尺寸选择范围广。

附图说明

图1是本发明聚焦透镜整体结构示意图。

图2是本发明聚焦透镜中轴线上小棱镜侧视图。

图3是本发明聚焦透镜中轴线上小棱镜的棱镜角计算演示图。

图4是本发明聚焦透镜除中轴线外其它小棱镜的尺寸计算演示图。

图5是本发明聚焦透镜除中轴线外其它小棱镜的棱镜角计算演示图。

图6是本发明聚焦透镜所含四部分示意图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明聚焦透镜的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

本实施例所述聚焦透镜，由纵向和横向数量相等的小棱镜依次排列为方形结构，其中，纵向和横向的小棱镜数量为奇数；小棱镜的横截面为方形；在聚焦透镜面向光线的一侧，所有小棱镜的端面位于同一平面内，为了方便说明，可以理解为，在聚焦透镜面向光线的一侧，所有小棱镜的端面位于同一平水平面内；在聚焦透镜面向太阳能电池的一侧，除位于方形结构中心位置的小棱镜外，其他所有的小棱镜均具有一个斜面；所述小棱镜斜面的倾斜方向均指向太阳能电池接收面所在位置方向，从而保证光线经过斜面后到达太阳能电池接收表面。为方便说明，本发明定义小棱镜斜面与水平面的夹角为棱镜角，每个小棱镜在纵向上的边长定义为小棱镜的长度，每个小棱镜在横向上的边长定义为小棱镜的宽度。

方形结构中，位于方形结构中心以及对角线上的小棱镜，其横截面为正方形，即其纵向边长和横向边长的长度相等，且由中心向外，每一小棱镜的边长逐渐增大；方形结构中，除中心以及对角线上的小棱镜外，其它小棱镜的横截面为长方形，其中，在方形结构的纵向方向上，同一列内每个小棱镜的宽度相等，在方形结构的横向方向上，同一行内每个小棱镜的长度相等。

如图3所示，设太阳能电池的接收面边长尺寸为d，聚焦透镜焦距为f，制造聚焦透镜的光学材料对某一波长的折射率为n，则每个小棱镜的边长以及棱镜角α具有以下关系：

(1)对于中心小棱镜，其边长为d；

(2)对于纵向中轴线上的小棱镜，每个小棱镜在宽度相等，均为d，每个小棱镜的长度由中心小棱镜向外逐渐增大，即d＜l₁＜l₂；

(3)对于横向中轴线上的小棱镜，每个小棱镜在长度相等，均为d；每个小棱镜的宽度由中心小棱镜向外逐渐增大，即每个小棱镜的宽度逐渐增大，

(4)纵向中轴线上小棱镜的斜面关于中心小棱镜对称设置，横向中轴线上小棱镜的斜面关于中心小棱镜对称设置；位于方形结构纵向中轴线上的每个小棱镜以及位于横向中轴线上的每个小棱镜的棱镜，其棱镜角α以及尺寸大小由迭代公式(1)，(2)和(3)依次计算获得，

${\mathrm{\β}}_{i+1}=\arctan \left\{\frac{\sin \left[\arctan \left(\frac{{\mathrm{\Σ}}_{k=0}^i{l}_k}{f}\right)\right]}{n-\cos \left[\arctan \left(\frac{{\mathrm{\Σ}}_{k=0}^i{l}_k}{f}\right)\right]}\right\}---\left(1\right)$

α_i+1＝β_i+1 (2)

$l_{i+1}=\frac{d}{1-\tan {\mathrm{\β}}_{i+1}\tan ({\mathrm{\β}}_{i+1}^{\text{'}}-{\mathrm{\β}}_{i+1})}---\left(3\right)$

下标i表示由位于中心的小棱镜依次向外的每个小棱镜的编号，中心小棱镜的编号为0，其他小棱镜的编号，依次向外为1、2、3等等；β为入射光线与小棱镜斜面法线的夹角，即入射角；β’为入射角β对应的折射角，对于光线垂直于聚焦透镜面向光线一侧入射的情况，棱镜角α与入射角β值相等，k表示求和号中每项的序号；l对于纵向中轴线上的小棱镜来说，其表示每个小棱镜的长度，对于横向中轴线上的小棱镜来说，其表示每个小棱镜的宽度。其中，公式(2)获得了棱镜角，公式(3)获得了边长尺寸。

(5)对角线上的小棱镜的边长及棱镜角α可由公式(4)、(5)和(6)计算获得，

${\mathrm{\β}}_{(i,i)}=\arctan \left\{\frac{\sin \left[\arctan \left(\frac{l_i^{\text{'}}}{f}\right)\right]}{n-\cos \left[\arctan \left(\frac{l_i^{\text{'}}}{f}\right)\right]}\right\}---\left(4\right)$

α(i,i)＝β(i,i) (5)

公式(4)、(5)和(6)中，棱镜角α与入射角β括号中的参数表示小棱镜编号，l’_i为中间变量，为简化公式而定义，对角线上小棱镜斜面关于对角线对称。小棱镜斜面倾斜方向均指向太阳能电池接收面所在位置方向，即保证光线经过斜面后到达太阳能电池接收表面。

(6)除中轴线和对角线外，其余小棱镜的棱镜角α由公式(7)、(8)、(9)和(10)计算获得：

${\mathrm{\β}}_{(i,j)}=\arctan \left\{\frac{\sin \left[\arctan \left(\frac{l(i,j)}{f}\right)\right]}{n-\cos \left[\arctan \left(\frac{l(i,j)}{f}\right)\right]}\right\}---\left(7\right)$

α(i,j)＝β(i,j) (8)

$l(i,j)={\mathrm{\Σ}}_{k=1}^i{l}_k\cos \mathrm{\γ}(i,j)+{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^j{w}_k\sin \mathrm{\γ}(i,j)---\left(9\right)$

$\mathrm{\γ}(i,j)=\arctan \frac{{\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{j-1}{w}_k}{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^i{l}_k}---\left(10\right)$

公式(7)、(8)、(9)和(10)中，棱镜角α与入射角β括号中的参数表示小棱镜编号，如图所示，l(i,j)为计算棱镜角而定义的变量，γ为小棱镜偏离中轴线的角度，括号内参数为小棱镜编号。根据下图，举例说明图上待计算小棱镜的棱镜角计算。连接中心小棱镜左下角与待计算的小棱镜左下角并延长两端，构成虚线所示矩形。根据公式(9)计算l(i,j)，根据公式(10)计算γ(i,j),最后由公式(7),(8)计算棱镜角。为了保证光线经过斜面折射之后到达太阳能电池接收表面，小棱镜斜面的倾斜方向沿着中心小棱镜左下角与待计算的小棱镜左下角连线方向，小棱镜斜面与水平面所成角度α,即棱镜角。

如图6，将整个方形聚焦透镜除横向中轴线，纵向中轴线以及对角线外分为四个部分，其中横向中轴线，纵向中轴线上的小棱镜的尺寸和棱镜角按照相同波长设计，其余四部分小棱镜的棱镜角设计对应四个波长，根据以上公式计算，位于对角线上的小棱镜的棱镜角的计算可根据相同波长设计或者根据其所在位置根据不同波长设计。值得注意的是，对于同一条纵向轴线上的小棱镜的长度相同，宽度由中心向边缘依次增加；对于同一横向轴线上的小棱镜的宽度相同，长度由中心向边缘依次增加。

本发明通过光学模拟软件模拟，在较宽光谱范围(400nm-1600nm)，聚焦透镜形成方形光斑足够均匀的覆盖在整个接收面上，接收辐照能量超过总能量的80％。在较宽光谱范围(400nm-1600nm)，聚焦透镜形成的光斑均匀性和聚光比对垂直入射光波长的变化不敏感。本发明根据传统菲涅尔透镜设计的基本原理，将每个小棱镜的长度设计为非等长度，光线通过非等长度小棱镜，在小棱镜斜面发生折射后，在太阳能电池接收面形成尺寸相同的光斑；同时本发明改进了传统菲涅尔透镜圆环形设计结构，采用方形小棱镜组成方形聚焦透镜；聚焦透镜整体结构的设计为对称结构，对称轴为两条中轴线和两条对角线，只要设计整个透镜结构的八分之一，即组成整个聚焦透镜小棱镜总数的八分之一。每个小棱镜按照矩阵元素编号的方式进行编号，根据每个小棱镜对于太阳能电池接收面的相对于位置，按照非等长度小棱镜长度的方法设计小棱镜的棱镜角和尺寸；本发明可以将整个方形聚焦透镜从横纵两条中轴线分为四个部分，每部分结构的设计对应一个波长(例如分别为400nm，600nm，800nm，和1000nm)。四个部分的设计根据波长设计成不同尺寸和棱镜角，每个部分对应的计波长能够独立形成方形均匀光斑，组成整个聚焦透镜后，形成的光斑分布相互补偿，在太阳能电池表面形成均匀光斑。

Claims (4)

1.一种聚焦透镜，其特征在于，由纵向和横向数量相等的小棱镜依次排列为方形结构，其中，纵向和横向的小棱镜数量为奇数；小棱镜的横截面为方形；在聚焦透镜面向光线的一侧，所有小棱镜的端面位于同一平面内；在聚焦透镜面向太阳能电池的一侧，除位于方形结构中心位置的小棱镜外，其他所有的小棱镜均具有一个斜面；所述斜面的倾斜方向均指向太阳能电池接收面所在位置，从而保证光线经过斜面后到达太阳能电池接收表面；

所述位于所述方形结构中心以及对角线上的小棱镜，其横截面为正方形，且由中心向外，每一小棱镜的边长逐渐增大；方形结构中，除中心以及对角线上的小棱镜外，其它小棱镜的横截面为长方形，其中，同一列内每个小棱镜的宽度相等，同一行内每个小棱镜的长度相等。

2.如权利要求1所述聚焦透镜，其特征在于，位于方形结构中心的小棱镜，其边长等于太阳能电池接收面的边长；对于纵向中轴线上的小棱镜，每个小棱镜的宽度等于太阳能电池接收面的边长；对于横向中轴线上的小棱镜，每个小棱镜在长度等于太阳能电池接收面的边长。

3.如权利要求1所述聚焦透镜，其特征在于，纵向中轴线上小棱镜的斜面关于中心小棱镜对称设置，横向中轴线上小棱镜的斜面关于中心小棱镜对称设置；位于方形结构纵向中轴线上的每个小棱镜以及位于横向中轴线上的每个小棱镜的棱镜，其棱镜角α以及边长尺寸由迭代公式(1)，(2)和(3)依次计算获得，

${\mathrm{\β}}_{i+1}=arctan\left\{\frac{\sin \[\arctan \left(\frac{{\Σ}_{k=0}^i{l}_k}{f}\right)\]}{n-\cos \[\arctan \left(\frac{{\Σ}_{k=0}^i{l}_k}{f}\right)\]}\right\}---\left(1\right)$

α_i+1＝β_i+1 (2)

$l_{i+1}=\frac{d}{1-{\mathrm{tan\β}}_{i+1}tan({\mathrm{\β}}_{i+1}^{\′}-{\mathrm{\β}}_{i+1})}---\left(3\right)$

公式(1)，(2)和(3)中，d为太阳能电池的接收面边长尺寸，f为聚焦透镜焦距，n为制造聚焦透镜的光学材料对某一波长的折射率，下标i表示由位于中心的小棱镜依次向外的每个小棱镜的编号，中心小棱镜的编号为0，其他小棱镜的编号，依次向外为1、2、3等等；β为入射光线与小棱镜斜面法线的夹角；β’为入射角β对应的折射角，对于光线垂直于聚焦透镜面向光线一侧入射的情况，棱镜角α与入射角β值相等，k表示求和号中每项的序号；l对于纵向中轴线上的小棱镜来说，其表示每个小棱镜的长度，对于横向中轴线上的小棱镜来说，其表示每个小棱镜的宽度；

对角线上的小棱镜的边长及棱镜角α由公式(4)、(5)和(6)计算获得，

${\mathrm{\β}}_{i+1}=\arctan \left\{\frac{\sin \[\arctan \left(\frac{l_i^{\′}}{f}\right)\]}{n-\cos \[\arctan \left(\frac{l_i^{\′}}{f}\right)\]}\right\}---\left(4\right)$

α(i,i)＝β(i,i) (5)

公式(4)、(5)和(6)中，棱镜角α与入射角β括号中的参数表示小棱镜编号，l’_i为中间变量，为简化公式而定义，对角线上小棱镜斜面关于对角线对称；

除中轴线和对角线外，其余小棱镜的棱镜角α由公式(7)、(8)、(9)和(10)计算获得：

$\mathrm{\β}(i,j)=arctan\left\{\frac{\sin \[\arctan \left(\frac{l(i,j)}{f}\right)\]}{n-\cos \[\arctan \left(\frac{l(i,j)}{f}\right)\]}\right\}---\left(7\right)$

α(i,j)＝β(i,j) (8)

$l(i,j)={\Σ}_{k=1}^i{l}_{k}cos\mathrm{\γ}(i,j)+{\Σ}_{k=1}^j{w}_{k}sin\mathrm{\γ}(i,j)---\left(9\right)$

$\mathrm{\γ}(i,j)=arctan\frac{{\Σ}_{k=0}^{j-1}{w}_k}{{\Σ}_{k=0}^{j-1}{l}_k}---\left(10\right)$

公式(7)、(8)、(9)和(10)中，棱镜角α与入射角β括号中的参数表示小棱镜编号，l(i,j)为计算棱镜角而定义的变量，γ为小棱镜偏离中轴线的角度，括号内参数为小棱镜编号。

4.如权利要求3所述聚焦透镜，其特征在于，整个聚焦透镜以横向中轴线和纵向中轴线为界划分为四个部分；中轴线上小棱镜的尺寸和棱镜角按照相同波长计算确定，四个部分分别按照四个不同的波长确定其小棱镜的尺寸和棱镜角。