CN109581550B - 一种菲涅尔聚光透镜及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种菲涅尔聚光透镜及其制作方法。本发明的提出解决了传统菲涅尔聚光透镜产生的圆形光斑与太阳能电池不匹配的问题，同时该透镜能在太阳能电池片的不同波段范围内实现方形的均匀光斑，从而提高电池转化效率，降低发电成本。该菲涅尔聚光透镜为正方形，由4个相同等腰三角形区域组成；每个等腰三角形区域上均同心刻设有多个等宽圆弧锯齿，分为若干个锯齿组；每个锯齿组包括相邻的多环等宽圆弧锯齿；所有等宽圆弧锯齿的圆心均偏离等腰三角形区域的顶点设置，且位于等腰三角形区域底边高线的延长线上；每个锯齿组中的多环等宽圆弧锯齿的折射光线汇聚于同一焦点。

Description

一种菲涅尔聚光透镜及其制作方法

技术领域

本发明属于太阳能聚光镜领域，涉及一种菲涅尔聚光透镜及其制作方法。

技术背景

随着对清洁能源需求的增长，聚光光伏发电技术备受瞩目。聚光光伏发电系统主要包括聚光镜、太阳能电池和太阳跟踪系统。菲涅尔聚光透镜以其透过率高、体积小、重量轻、易加工、成本低的显著优势被广泛应用于聚光光伏系统。但是现有的菲涅尔聚光透镜仍存在聚光光斑不均匀，光斑形状与太阳能电池不匹配等问题。

中国发明专利申请，公开号CN103715289A提出了一种采用多波长多焦点设计的菲涅尔聚光透镜方法，其采用旋转对称结构，产生的圆形光斑与方形的太阳能电池不匹配，降低聚光效率。

中国发明专利申请，公开号CN104199132A提出了一种用四块缺角正方形拼接而成的方形菲涅尔镜，比传统菲涅尔聚光透镜的光斑均匀度有较大提高，但是该专利中没有提及菲涅尔聚光透镜中各参数是是如何确定的，从而无法确定该透镜如何适应太阳光谱不同波段，因此可能会在焦面光斑处产生色散，进而降低光斑均匀度，影响太阳能电池的光电转换效率。

发明内容

为了解决背景技术中现有技术存在的缺陷，本发明提出一种菲涅尔聚光透镜及其制作方法，解决了传统菲涅尔聚光透镜产生的圆形光斑与太阳能电池不匹配的问题，同时解决了超宽太阳光谱与多结太阳能电池响应波段不匹配的问题。

本发明的具体技术方案如下：

本发明提供了一种菲涅尔聚光透镜，其改进之处是：

其为正方形透镜，包括4个相同等腰三角形区域组成；正方形透镜的边长由太阳能电池片的边长以及所需聚光比确定；

每个等腰三角形区域上均刻设有多个等宽同心圆弧锯齿，分为若干个锯齿组；

每个锯齿组包括多环等宽圆弧锯齿，每个等腰三角形区域中所有等宽圆弧锯齿的圆心均偏离等腰三角形区域的顶点设置，且位于等腰三角形区域高线的延长线上；

每个锯齿组中的多环等宽圆弧锯齿的折射光线汇聚于同一焦点；

每个锯齿组中等宽圆弧锯齿的环数与太阳能电池片子电池数相同。

基于上述的菲涅尔聚光透镜结构的描述，现对该透镜的制作方法进行介绍，具体实现步骤如下：

1)确定设计参数；所述设计参数包括正方形菲涅尔聚光透镜的边长、正方形菲涅尔聚光透镜的最大离轴量、离轴焦距以及锯齿参数；所述锯齿参数包括锯齿组组数、每个锯齿的倾斜角以及齿高；

1.1)计算正方形菲涅尔聚光透镜的边长，具体公式为：

式中，η_c是正方形菲涅尔聚光透镜的聚光比，L₀是太阳能电池片的边长，L是正方形菲涅尔聚光透镜的边长；η_c和L₀均为已知量；

1.2)计算正方形菲涅尔聚光透镜的最大离轴量以及离轴焦距，具体计算公式为：

其中，f₀是正方形菲涅尔聚光透镜离轴焦距；f太阳能电池片和正方形菲涅尔聚光透镜之间的距离，f的值为已知量；s是最大离轴量；s'是最小离轴量，且s'为已知常量，取值范围是0≤s'＜s；

1.3)计算正方形菲涅尔聚光透镜中的锯齿参数；

1.3.1)计算正方形菲涅尔聚光透镜中的锯齿组组数，具体计算公式为：

其中，

为上取整函数，m_max是锯齿组组数；R为正方形菲涅尔聚光透镜对角线长度的一半；ΔR为锯齿组中每一个锯齿的宽度，ΔR为已知常量；由于每组中所有锯齿的折射光线在离轴焦平面上的焦点一致，因此m_max也表示焦点数量；

1.3.2)计算每个锯齿的倾斜角和齿高；

1.3.2.1)计算每环锯齿的倾斜角，其具体计算公式为：

N_λsinα'_n＝sinβ′_n；

β'_n＝α'_n+u'_n；

R_n＝R₁+(n-1)·ΔR；

s_m＝(m_max-m)·d+s'；

α'_n和β′_n分别是光线在第n环锯齿上的入射角和折射角；N_λ是菲涅尔聚光透镜材料在不同波长下的折射率，且N_λ为已知量；

u′_n表示第n环锯齿的折射光线与第n环锯齿的离轴线的夹角；

R_n是第n环锯齿中心到正方形菲涅尔聚光透镜中心轴距离；

S_m是第m个焦点与正方形菲涅尔聚光透镜中心光轴的距离；

d为相邻焦点之间的间隔距离；

1.3.3)根据所有锯齿的倾斜角α'_n，由以下公式计算每个锯齿的高度k_n；

k_n＝ΔR·tanα'_n；

2)通过设计参数，制作菲涅尔聚光透镜；

2.1)通过正方形菲涅尔聚光透镜的边长，选定一个正方形模具；

2.2)将正方形模具等分成四个等腰三角形区域；

2.3)按照锯齿参数依次在每一个等腰三角形区域刻制等宽圆弧锯齿，得到菲涅尔聚光透镜的模具；每个等宽圆弧锯齿的刻设圆心偏离其对应的等腰三角形区域的顶点，且位于等腰三角形区域底边高线的延长线上，偏离量为最大离轴量s；

2.4)通过菲涅尔聚光透镜的模具将热熔硅胶压印到超白钢化玻璃上，得到正方形菲涅尔聚光透镜。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用离轴设计的思想实现了方形光斑，能与现有的方形太阳能电池相匹配；同时进一步增加了焦点数量，多焦点的设计有效提高了光斑能量的均匀度。

2、本发明采用多波长设计，能有效降低透镜的色散效应，在250nm-1800nm宽光谱范围内实现均匀聚光。并能与现有的多结太阳能电池的响应波段相匹配，进而提高光电转化效率。

3、本发明可采用先制备正方形的菲涅尔聚光透镜模具，再采用热熔胶模压的方式对透镜进行批量加工，成本低廉，利于大批量生产。

附图说明

图1为本发明菲涅尔聚光透镜的结构图。

图2为菲涅尔聚光透镜的聚光原理图。

图3为图2的A处放大图；

图4为菲涅尔聚光透镜与太阳能电池片的光学关系原理图。

附图标记如下：

1-正方形菲涅尔聚光透镜、2-太阳能电池片、3-离轴焦平面。

具体实施方式

本发明提供了一种菲涅尔聚光透镜及其制作方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例

菲涅尔聚光透镜的结构

菲涅尔聚光透镜采用双重分区设计，第一重分区是通过离轴设计得到方形光斑，与方形太阳电池片匹配，解决传统圆形光斑与太阳能电池不匹配的问题；第二重分区采用多焦点、多波长设计方法，在聚光镜上多环锯齿分为一组，每个锯齿组聚焦到同一焦点，不同组聚焦到不同的焦点，每一组的多环锯齿分别采用不同的设计波长，有效提高光斑均匀性，从而提高电池转化效率，降低发电成本。

如图1所示：菲涅尔聚光透镜为正方形透镜，包括4个相同等腰三角形区域组成；正方形透镜的边长由太阳能电池片的边长以及所需聚光比确定；

每个等腰三角形区域上均刻设有多个等宽同心圆弧锯齿，分为若干个锯齿组；每个锯齿组包括相邻的多环等宽圆弧锯齿；所有等宽圆弧锯齿的圆心均偏离等腰三角形区域的顶点设置，且位于等腰三角形区域高线的延长线上(此处延长线是等腰三角形区域顶点向外延伸的线段，而不是等腰三角形区域顶点向内延伸的线段)；

每个锯齿组中的多环等宽圆弧锯齿的折射光线汇聚于同一焦点；

每个锯齿组中等宽圆弧锯齿的环数与太阳能电池片结点(子电池)数相同，本实施中选择与之匹配使用的太阳能电池片的结点数为3，则每个锯齿组中的等宽圆弧锯齿为3，太阳能电池片电池响应波段为250nm-1800nm。

菲涅尔聚光透镜的制作方法

基于上述菲涅尔聚光透镜的结构描述，现对该透镜的制作方法进行进一步的介绍：

如图2、图3以及图4所示，步骤1：确定设计参数；设计参数包括正方形菲涅尔聚光透镜的边长、正方形菲涅尔聚光透镜的最大离轴量、离轴焦距以及锯齿参数；所述锯齿参数包括锯齿组组数、每个锯齿的倾斜角以及齿高；

步骤1.1：计算正方形菲涅尔聚光透镜的边长，具体公式为：

式中，η_c是正方形菲涅尔聚光透镜的聚光比，(聚光比等于聚光镜和太阳能电池的面积比，该参数在设计之初直接给定，在本实施例中聚光比取值为500；L₀是太阳能电池片的边长(已知量)，L是正方形菲涅尔聚光透镜的边长；

步骤1.2：计算正方形菲涅尔聚光透镜的最大离轴量以及离轴焦距，具体计算公式为：

其中，f₀是正方形菲涅尔聚光透镜离轴焦距(如图4所示，即就是正方形菲涅尔聚光透镜与离轴焦平面的距离)；f为太阳能电池片2和正方形菲涅尔聚光透镜1之间的距离，f的值为已知量，s是最大离轴量；s'是最小离轴量，且s'为已知常量，取值范围是0≤s'＜s，在本实施例中取值为1mm；

步骤1.3：计算正方形菲涅尔聚光透镜中的锯齿参数；

步骤1.3.1：计算正方形菲涅尔聚光透镜中的锯齿组组数，具体计算公式为：

其中，

为上取整函数，m_max是锯齿组组数，R为正方形菲涅尔聚光透镜对角线长度的一半；ΔR为锯齿组中每一个锯齿的宽度，ΔR为已知常量(本例中取值为0.3mm)；由于每个锯齿组中3个锯齿的折射光线在离轴焦平面上的焦点一致，因此m_max也表示焦点数量；

步骤1.3.2：计算每个锯齿的倾斜角和齿高；

步骤1.3.2.1：计算每环锯齿的倾斜角，其具体计算公式为：

N_λsinα'_n＝sinβ′_n；

β'_n＝α'_n+u'_n；

R_n＝R₁+(n-1)·ΔR；

s_m＝(m_max-m)·d+s'；

α'_n和β′_n分别是光线在第n环锯齿上的入射角和折射角；N_λ是菲涅尔聚光透镜材料在不同波长下的折射率，且N_λ为已知量；

u′_n表示第n环锯齿的折射光线与第n环锯齿的离轴线的夹角；

R_n是第n环锯齿中心到正方形菲涅尔聚光透镜中心轴距离；

S_m是第m个焦点距离正方形菲涅尔聚光透镜中心光轴的距离；

d为相邻焦点之间的间隔距离；

步骤1.3.2.2：根据所有锯齿的倾斜角α'_n，根据以下公式计算每个锯齿的高度k_n；

k_n＝ΔR·tanα'_n；

步骤2：通过设计参数，制作菲涅尔聚光透镜；

步骤2.1：通过正方形菲涅尔聚光透镜的边长，选定一个正方形模具；

步骤2.2：将正方形模具等分成四个等腰三角形区域；

步骤2.3：按照锯齿参数依次在每一个等腰三角形区域刻制等宽圆弧锯齿，得到菲涅尔聚光透镜的模具；每个等宽圆弧锯齿的刻设圆心偏离其对应的等腰三角形区域的顶点，且位于等腰三角形区域底边高线的延长线上，偏离量为最大离轴量s；需要说明的是：

雕刻等宽圆弧锯齿时，可以在每一个等腰三角形区域依次进行，即就是按照第一个等腰三角形区域、第二等腰三角形区域、第三等腰三角形区域、第四等腰三角形区域的顺序；

或者按照第一等腰三角形区域的第一环锯齿、第二等腰三角形区域的第一环锯齿、第三等腰三角形区域的第一环锯齿、第四等腰三角形区域的第一环锯齿；

第一等腰三角形区域的第二环锯齿、第二等腰三角形区域的第二环锯齿、第三等腰三角形区域的第二环锯齿、第四等腰三角形区域的第二环锯齿的顺序，依次类推；

步骤2.4：通过菲涅尔聚光透镜的模具将热熔硅胶压印到超白钢化玻璃上，得到正方形菲涅尔聚光透镜。

需要强调的一点是：在已知菲涅尔聚光透镜的设计参数后，也可以选定一个正方形透镜直接在其上根据锯齿参数刻设多环等宽圆弧锯齿，从而实现菲涅尔聚光透镜的制作。但是，该直接加工方式会重复工作量，工作效率较低，因此本发明采用了模具热压的方式，实现了该透镜的规模量产。

Claims (1)

1.一种菲涅尔聚光透镜的制作方法，其特征在于，所述菲涅尔聚光透镜为正方形透镜，由4个相同等腰三角形区域组成；正方形透镜的边长由太阳能电池片的边长以及所需聚光比确定；

每个等腰三角形区域上均刻设有多个等宽同心圆弧锯齿，分为若干个锯齿组；每个锯齿组包括相邻的多环等宽圆弧锯齿；

每个等腰三角形区域中所有等宽圆弧锯齿的圆心均偏离等腰三角形区域的顶点设置，且位于等腰三角形区域高线的延长线上；

每个锯齿组中的多环等宽圆弧锯齿的折射光线汇聚于同一焦点，且每个锯齿组中的多环等宽圆弧锯齿采用不同的波长设计；

每个锯齿组中等宽圆弧锯齿的环数与太阳能电池片结点数相同；

其具体制作方法，包括以下步骤：

1)确定设计参数；所述设计参数包括正方形菲涅尔聚光透镜的边长、正方形菲涅尔聚光透镜的最大离轴量、离轴焦距以及锯齿参数；所述锯齿参数包括锯齿组组数、每个锯齿的倾斜角以及齿高；

1.1)计算正方形菲涅尔聚光透镜的边长，具体公式为：

式中，η_c是正方形菲涅尔聚光透镜的聚光比，L₀是太阳能电池片的边长，L是正方形菲涅尔聚光透镜的边长；η_c和L₀均为已知量；

1.2)计算正方形菲涅尔聚光透镜的最大离轴量以及离轴焦距，具体计算公式为：

其中，f₀是正方形菲涅尔聚光透镜离轴焦距；f是太阳能电池片和正方形菲涅尔聚光透镜之间的距离，f的值为已知量；s是最大离轴量；s′是最小离轴量，且s′为已知常量，取值范围是0≤s′＜s；

1.3)计算正方形菲涅尔聚光透镜中的锯齿参数；

1.3.1)计算正方形菲涅尔聚光透镜中的锯齿组组数，具体计算公式为：

其中，

为上取整函数，m_max是锯齿组组数，R为正方形菲涅尔聚光透镜对角线长度的一半；ΔR为锯齿组中每一个锯齿的宽度，ΔR为已知常量；由于每组中所有锯齿的折射光线在离轴焦平面上的焦点一致，因此m_max也表示焦点数量；

1.3.2)计算每个锯齿的倾斜角和齿高；

1.3.2.1)计算每环锯齿的倾斜角，其具体计算公式为：

N_λsinα′_n＝sinβ′_n；

β′_n＝α′_n+u′_n；

R_n＝R₁+(n-1)·ΔR；

s_m＝(m_max-m)·d+s′；

α′_n和β′_n分别是光线在第n环锯齿上的入射角和折射角；N_λ是菲涅尔聚光透镜材料在不同波长下的折射率，且N_λ为已知量；

u′_n表示第n环锯齿的折射光线与第n环锯齿的离轴线的夹角；

R_n是第n环锯齿中心到正方形菲涅尔聚光透镜中心轴的距离；

S_m是第m个焦点与正方形菲涅尔聚光透镜中心光轴的距离；

d为相邻焦点之间的间隔距离；

1.3.2.2)根据所有锯齿的倾斜角α′_n，由以下公式计算每个锯齿的高度k_n；

k_n＝ΔR·tanα′_n；

2)通过设计参数，制作菲涅尔聚光透镜；

2.1)通过正方形菲涅尔聚光透镜的边长，选定一个正方形模具；

2.2)将正方形模具等分成四个等腰三角形区域；

2.3)按照锯齿参数依次在每一个等腰三角形区域刻制等宽圆弧锯齿，得到菲涅尔聚光透镜的模具；每个等宽圆弧锯齿的刻设圆心偏离其对应的等腰三角形区域的顶点，且位于等腰三角形区域底边高线的延长线上，偏离量为最大离轴量s；

2.4)通过菲涅尔聚光透镜的模具将热熔硅胶压印到超白钢化玻璃上，得到正方形菲涅尔聚光透镜。

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