CN105428447A - 一种双凸面聚光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双凸面聚光器，所述聚光器上端面为向上凸起的上部聚光折射面，所述聚光器下端面为向下凸起的下部聚光折射面，所述上部聚光折射面和下部聚光折射面均为非球面，平行入射的光线依次经过上部聚光折射面和下部聚光折射面两次折射后，在所述聚光器下方的电池接收板上形成聚光光斑，所述下部聚光折射面的轮廓形状随上部聚光折射面的轮廓形状的变化而变化。本发明通过具有上下两个非球面的聚光折射面，对入射光线进行两次折射，控制光线达到指定的位置并使光线快速汇聚，大大缩短了光程，使其组件厚度仅为单曲面聚光器厚度的60%。

Description

一种双凸面聚光器

技术领域

本发明属于太阳能利用技术领域，特别涉及一种双凸面聚光器。

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。

现有专利(CN201020506278.3)中公开了一种聚光器的结构设计，该设计实现了光线的精确控制，得到了一种光斑能量分布非常均匀的聚光器。但是，其缺点在于，采用该聚光器聚焦之后其焦距一般较长，F/#一般为1.5左右，使得最终的光伏组件比较厚重，安装运输都很不方便。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种即能够使得光斑均匀又能缩短焦距，降低组件厚度的双凸面聚光器。

本发明的技术方案是这样实现的：一种双凸面聚光器，其特征在于：所述聚光器上端面为向上凸起的上部聚光折射面，所述聚光器下端面为向下凸起的下部聚光折射面，所述上部聚光折射面和下部聚光折射面均为非球面，平行入射的光线依次经过上部聚光折射面和下部聚光折射面两次折射后，在所述聚光器下方的电池接收板上形成聚光光斑，所述下部聚光折射面的轮廓形状随上部聚光折射面的轮廓形状的变化而变化，所述下部聚光折射面的轮廓形状在形成上部聚光折射面轮廓形状的平面坐标系中的曲线方程，由以下公式得出：

任意两条入射光线通过上部聚光折射面的偏转角度α为已知，对于通过上部聚光折射面后的第一条入射光线，令y’₀＝h₀，

则 ${\mathrm{tg\β}}_0=\frac{x_0^{\′}-b}{h^{\′}-y_0^{\′}}$

y'₀＝y'_n-1-△x'*tgφ_n-1

△x'＝△x-ctg(α_n-1)*(y'_n-1-h₀)+ctgα_n(y'_n-h₀)

△x＝[x_n-1-ctgα_n-1*(y_n-1+h₀)]-[x_n-ctgα_n(y_n+h₀)]

${\mathrm{tg\φ}}_0=\frac{{\mathrm{ncos\α}}_0-{\mathrm{sin\β}}_0}{{\mathrm{cos\β}}_0-{\mathrm{nsin\α}}_0}$

其中，h₀为玻璃厚度，b为第一条入射光线与y＝h'直线的交点与Y轴的垂直距离，h'为光斑到玻璃上表面的距离，x₀为第一条入射光线在上部聚光折射面的起点，α₀为第一条入射光线通过上部聚光折射面后与X轴的夹角，β₀为第一条入射光线在下部聚光折射面横截面的折射角，θ₀为第一条入射光线在下部聚光折射面横截面的入射角，φ₀为第一条入射光线与下部聚光折射面横截面交点处的曲线法线与y轴的锐角夹角，△x为第一条入射光线和第二条入射光线分别与玻璃下表面交点的距离，△x′为第一条入射光线和第二条入射光线分别与下部聚光折射面折射点的水平距离，n为材料折射率；

由上述表达式可推导得到第n条入射光线的方程为：

△x＝[x_n-1-ctgα_n-1*(y_n-1+h₀)]-[x_n-ctgα_n(y_n+h₀)]………公式1

△x'＝△x-ctg(α_n-1)*(y'_n-1-h₀)+ctgα_n(y'_n-h₀)…………公式2

y'₀＝y'_n-1-△x'*tgφ_n-1…………公式3

${\mathrm{tg\φ}}_n=\frac{{\mathrm{ncos\α}}_n-{\mathrm{sin\β}}_n}{{\mathrm{cos\β}}_n-{\mathrm{nsin\α}}_n}$ …………公式4

x'_n＝x'_n-1-△x'………公式5

${\mathrm{tg\β}}_n=\frac{x_0^{\′}-b+\frac{N}{d}*b}{h^{\′}-y_n^{\′}}$ ………公式6

其中，N为一个自然数，即将整个曲面的横截面分成N等分，d为光线等比压缩的比例，数值上等于公式1可由上部聚光折射面求得，将公式2代入公式3，结合公式1求得y'_n，将y'_n代入公式6求得β_n，将y'_n代入公式2求得△x'，将△x'代入公式5求得x'_n，这样就得到下部聚光折射面的各点坐标(y'_n，x'_n)，即得到下部聚光折射面的曲线。

本发明通过具有上下两个非球面的聚光折射面，对入射光线进行两次折射，控制光线达到指定的位置并使光线快速汇聚，大大缩短了光程，使其组件厚度仅为单曲面聚光器厚度的60％。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明入射光线经过两次折射的原理图。

图中标记：1为聚光器，101为上部聚光折射面，102为下部聚光折射面，201为第一条入射光线。202为第二条入射光线，301为玻璃上表面，302为玻璃下表面。

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和2所示，一种双凸面聚光器，所述聚光器1上端面为向上凸起的上部聚光折射面101，所述聚光器1下端面为向下凸起的下部聚光折射面102，所述上部聚光折射面101和下部聚光折射面102均为非球面，平行入射的光线依次经过上部聚光折射面101和下部聚光折射面102两次折射后，在所述聚光器1下方的电池接收板上形成聚光光斑，所述下部聚光折射面102的轮廓形状随上部聚光折射面101的轮廓形状的变化而变化，所述下部聚光折射面的外形尺寸略小于上部聚光折射面。

其中，所述上部聚光折射面曲面为专利CN201210534148.4中公开的设计方法，所述下部聚光折射面102的轮廓形状在形成上部聚光折射面101轮廓形状的平面坐标系中的曲线方程，由以下公式得出：

任意两条入射光线通过上部聚光折射面101的偏转角度α为已知，对于通过上部聚光折射面101后的第一条入射光线201，令y’₀＝h₀，

则 ${\mathrm{tg\β}}_0=\frac{x_0^{\′}-b}{h^{\′}-y_0^{\′}}$

y'₀＝y'_n-1-△x'*tgφ_n-1

△x'＝△x-ctg(α_n-1)*(y'_n-1-h₀)+ctgα_n(y'_n-h₀)

△x＝[x_n-1-ctgα_n-1*(y_n-1+h₀)]-[x_n-ctgα_n(y_n+h₀)]

${\mathrm{tg\φ}}_0=\frac{{\mathrm{ncos\α}}_0-{\mathrm{sin\β}}_0}{{\mathrm{cos\β}}_0-{\mathrm{nsin\α}}_0}$

其中，h₀为玻璃厚度，b为第一条入射光线201与y＝h'直线的交点与Y轴的垂直距离，h'为光斑到玻璃上表面301的距离，x₀为第一条入射光线201在上部聚光折射面101的起点，α₀为第一条入射光线201通过上部聚光折射面101后与X轴的夹角，β₀为第一条入射光线201在下部聚光折射面102横截面的折射角，θ₀为第一条入射光线201在下部聚光折射面102横截面的入射角，φ₀为第一条入射光线201与下部聚光折射面102横截面交点处的曲线法线与y轴的锐角夹角，△x为第一条入射光线201和第二条入射光线202分别与玻璃下表面302交点的距离，△x′为第一条入射光线201和第二条入射光线202分别与下部聚光折射面102折射点的水平距离，n为材料折射率；

由上述表达式可推导得到第n条入射光线的方程为：

△x＝[x_n-1-ctgα_n-1*(y_n-1+h₀)]-[x_n-ctgα_n(y_n+h₀)]………公式1

△x'＝△x-ctg(α_n-1)*(y'_n-1-h₀)+ctgα_n(y'_n-h₀)…………公式2

y'₀＝y'_n-1-△x'*tgφ_n-1…………公式3

${\mathrm{tg\φ}}_n=\frac{{\mathrm{ncos\α}}_n-{\mathrm{sin\β}}_n}{{\mathrm{cos\β}}_n-{\mathrm{nsin\α}}_n}$ …………公式4

x'_n＝x'_n-1-△x'………公式5

${\mathrm{tg\β}}_n=\frac{x_0^{\′}-b+\frac{N}{d}*b}{h^{\′}-y_n^{\′}}$ ………公式6

其中，N为一个自然数，即将整个曲面的横截面分成N等分，d为光线等比压缩的比例，数值上等于公式1可由上部聚光折射面求得，将公式2代入公式3，结合公式1求得y'_n，将y'_n代入公式6求得β_n，将y'_n代入公式2求得△x'，将△x'代入公式5求得x'_n，这样就得到下部聚光折射面102的各点坐标(y'_n，x'_n)，即得到下部聚光折射面102的曲线。

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 (1)

1.一种双凸面聚光器，其特征在于：所述聚光器(1)上端面为向上凸起的上部聚光折射面(101)，所述聚光器(1)下端面为向下凸起的下部聚光折射面(102)，所述上部聚光折射面(101)和下部聚光折射面(102)均为非球面，平行入射的光线依次经过上部聚光折射面(101)和下部聚光折射面(102)两次折射后，在所述聚光器(1)下方的电池接收板上形成聚光光斑，所述下部聚光折射面(102)的轮廓形状随上部聚光折射面(101)的轮廓形状的变化而变化，所述下部聚光折射面(102)的轮廓形状在形成上部聚光折射面(101)轮廓形状的平面坐标系中的曲线方程，由以下公式得出：

任意两条入射光线通过上部聚光折射面(101)的偏转角度α为已知，对于通过上部聚光折射面(101)后的第一条入射光线(201)，令y’₀＝h₀，

则 ${\mathrm{tg\β}}_0=\frac{x_0^{\′}-b}{h^{\′}-y_0^{\′}}$

y'₀＝y'_n-1-△x'*tgφ_n-1

△x'＝△x-ctg(α_n-1)*(y'_n-1-h₀)+ctgα_n(y'_n-h₀)

△x＝[x_n-1-ctgα_n-1*(y_n-1+h₀)]-[x_n-ctgα_n(y_n+h₀)]

${\mathrm{tg\φ}}_0=\frac{{\mathrm{ncos\α}}_0-{\mathrm{sin\β}}_0}{{\mathrm{cos\β}}_0-{\mathrm{nsin\α}}_0}$

其中，h₀为玻璃厚度，b为第一条入射光线(201)与y＝h'直线的交点与Y轴的垂直距离，h'为光斑到玻璃上表面(301)的距离，x₀为第一条入射光线(201)在上部聚光折射面(101)的起点，α₀为第一条入射光线(201)通过上部聚光折射面(101)后与X轴的夹角，β₀为第一条入射光线(201)在下部聚光折射面(102)横截面的折射角，θ₀为第一条入射光线(201)在下部聚光折射面(102)横截面的入射角，φ₀为第一条入射光线(201)与下部聚光折射面(102)横截面交点处的曲线法线与y轴的锐角夹角，△x为第一条入射光线(201)和第二条入射光线(202)分别与玻璃下表面(302)交点的距离，△x′为第一条入射光线(201)和第二条入射光线(202)分别与下部聚光折射面(102)折射点的水平距离，n为材料折射率；

由上述表达式可推导得到第n条入射光线的方程为：

△x＝[x_n-1-ctgα_n-1*(y_n-1+h₀)]-[x_n-ctgα_n(y_n+h₀)]………公式1

△x'＝△x-ctg(α_n-1)*(y'_n-1-h₀)+ctgα_n(y'_n-h₀)…………公式2

y'₀＝y'_n-1-△x'*tgφ_n-1…………公式3

${\mathrm{th\φ}}_n=\frac{{\mathrm{ncos\α}}_n-{\mathrm{sin\β}}_n}{{\mathrm{cos\β}}_n-{\mathrm{nsin\α}}_n}$ …………公式4

x'_n＝x'_n-1-△x'………公式5

${\mathrm{tg\β}}_n=\frac{x_0^{\′}-b+\frac{N}{d}*b}{h^{\′}-y_n^{\′}}$ ………公式6

其中，N为一个自然数，即将整个曲面的横截面分成N等分，d为光线等比压缩的比例，数值上等于公式1可由上部聚光折射面求得，将公式2代入公式3，结合公式1求得y'_n，将y'_n代入公式6求得β_n，将y'_n代入公式2求得△x'，将△x'代入公式5求得x'_n，这样就得到下部聚光折射面(102)的各点坐标(y'_n，x'_n)，即得到下部聚光折射面(102)的曲线。