CN110388758A - 一种基于双焦点菲涅耳透镜的太阳光聚光系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于双焦点菲涅耳透镜的太阳光聚光系统，包括：同心的大菲涅耳透镜和小菲涅耳透镜、同轴设置的大镜筒和小镜筒，大菲涅耳透镜安装于大镜筒上，小菲涅耳透镜安装于小透镜上；四象限光电池，位于小镜筒的窄端面的圆心位置；滤光片，同轴安装于大镜筒内；聚光玻璃锥棒，安装于大镜筒的封闭端面；传光光纤和照明漫射器；反馈光纤和反馈监测单元；追踪装置；控制系统，反馈监测单元、四象限光电池和追踪装置均与控制系统连接；本发明在同一透镜组件上同时实现两个焦点，增大单个透镜的聚光面积，简化结构，并通过采用精定位与粗定位相结合的定位方法，扩大跟踪范围，提高跟踪精度，降低系统的成本。

Description

一种基于双焦点菲涅耳透镜的太阳光聚光系统

技术领域

本发明涉及太阳光聚光技术领域，尤其涉及一种基于双焦点菲涅耳透镜的太阳光聚光系统。

背景技术

由于能源短缺和环境污染的加剧，使得寻找及开发新能源和可再生能源成为人类解决能源危机的有效途径。由于太阳能的众多优势，使得对太阳能进行合理的开发和高效的利用形成了一项重要的研究内容，但是由于各地区太阳光的分布不均匀、强度不均匀等特点，使得对太阳的开发和利用变得比较困难。

利用太阳能进行照明是太阳能利用领域的一个重要分支。当前，利用太阳能进行照明的方式主要包括两种：一种是Bequerel于1839年发现的光直接转换为电能，能量转化的途径是“光-电-光”，这种方式称为光伏(PV)效应。第二种是直接采集太阳光导入室内照明，此种方式不经过能量转换，最典型的设备是太阳光室内导入照明系统。由于人们利用太阳光大部分都是通过部分玻璃地板发生直接或间接(反射)照明，但对于背光的室内空间仍然需要用电增强室内光照。

太阳光室内导入照明是一项新型的太阳能利用技术，这种技术可以解决背光地点内在白天仍然缺乏光照的问题。国外在此方面研究起步较早，日本在几年前问世的向日葵牌太阳光导入器产品，使用透射式聚光器集光，用光纤传输太阳光，且有跟踪装置追踪太阳，但由于价格昂贵，不适合大范围推广。国内在近两年也有透射式阳光导入照明产品问世，这些设备可通过高精密定位传感器感知太阳位置，使用微电脑控制系统输出指令，通过多维机械运动系统调整采光装置朝向，使得采光镜片始终精密垂直太阳光线，并将阳光压缩1万多倍会聚到光纤中。太阳光顺着光纤传输转弯，随心所欲到达任何位置，不受位置、太阳的高度等条件的限制，一整日都能够进行稳定的采光。但由于跟踪装置自身电路的复杂性导致系统性能不稳定，故障率高，聚光器结构复杂，导致跟踪装置的阳光导入系统成本较高，且光纤型太阳光会聚与追踪系统存在透镜尺寸小、会聚系统复杂、追踪稳定性差等缺点。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于双焦点菲涅耳透镜的太阳光聚光系统，在同一透镜组件上同时实现两个焦点，增大单个透镜的聚光面积，简化结构，并通过采用精定位与粗定位相结合的定位方法，扩大跟踪范围，提高跟踪精度，降低系统的成本。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于双焦点菲涅耳透镜的太阳光聚光系统，包括：

菲涅耳透镜组件，包括大菲涅耳透镜和小菲涅耳透镜，所述大菲涅耳透镜为圆环状，所述小菲涅耳透镜为与所述大菲涅耳透镜的内圈相配合的圆形，并嵌入在所述大菲涅耳透镜的中心，所述大菲涅耳透镜与所述小菲涅耳透镜同圆心，且参数不同，使得所述菲涅耳透镜组件具有上下两个焦点；

大镜筒，为中空圆柱状，一端开口，另一端面封闭，所述大菲涅耳透镜安装于所述大镜筒开口端面，所述大镜筒与所述菲涅耳透镜组件之间形成封闭空间b；

小镜筒，为中空圆台状，所述小镜筒的宽端面开口，窄端面封闭，所述小镜筒的宽端面与所述小菲涅耳透镜连接，所述小镜筒和所述小菲涅耳透镜之间形成封闭空间a；

四象限光电池，位于所述小镜筒的窄端面的圆心位置；

滤光片，同轴安装于所述大镜筒内；

聚光玻璃锥棒，安装于所述大镜筒封闭端面，且与所述大菲涅耳透镜、所述小菲涅耳透镜同轴，所述聚光玻璃锥棒的入射端面的面积均大于出射端面的面积，且入射端面位于所述封闭空间b内；

传光光纤和照明漫射器，所述聚光玻璃锥棒的出射端面通过所述传光光纤与所述照明漫射器连接；

反馈光纤和反馈监测单元，所述反馈光纤的一端与所述照明漫射器连接，另一端与所述反馈监测单元连接；

追踪装置，内置GPS模块，所述大镜筒安装于所述追踪装置上；

控制系统，所述反馈监测单元、四象限光电池和追踪装置均与所述控制系统连接；

其中，所述大镜筒和所述小镜筒均不透光，所述控制系统首先通过所述追踪装置中的GPS模块对太阳进行粗定位，然后根据所述反馈单元的信号判断天气状况，若为晴天，则根据所述四象限光电池传输的信号通过追踪装置使大镜筒转动，通过所述小菲涅耳透镜对太阳进行精定位以使照明漫射器接收的光强最大，若为阴天则继续进行粗定位。

优选地，所述大菲涅耳透镜与所述小菲涅耳透镜的参数满足：

其中，D₁为所述大菲涅耳透镜的直径，D₂为所述小菲涅耳透镜的直径，R₁为所述大菲涅耳透镜的半径，R₂为所述小菲涅耳透镜的半径，f₁为所述大菲涅耳透镜的焦距，f₂为所述小菲涅耳透镜的焦距，c为所述大菲涅耳透镜透过的光占所述菲涅耳透镜组件透过的光的比例。

优选地，粗定位中所述GPS模块的追踪角度误差为Δζ，所述小菲涅耳透镜精定位的最大追踪角度为δ_max，太阳光入射到所述大菲涅耳透镜(1)的入射角为δ，Δζ、δ和δ_max之间满足：δ≥δ_max＞Δζ，δ由下式确定：

其中，e为所述聚光玻璃锥棒的直径，r₁是经所述大菲涅耳透镜会聚后的光斑半径，f₁为所述大菲涅耳透镜的焦距，Δy₁为经所述大菲涅耳透镜会聚后的光斑在其焦平面上的移动距离。

优选地，大菲涅耳透镜和小菲涅耳透镜的参数之间满足：

其中，R₂为小菲涅耳透镜的半径，f₁为大菲涅耳透镜的焦距，f₂为小菲涅耳透镜的焦距。

优选地，所述反馈监测单元包括反馈监测盒、反馈漫射器和反馈光电池，所述反馈漫射器和所述反馈光电池位于所述反馈监测盒内，所述反馈光纤的另一端伸入所述反馈监测盒内与所述反馈漫射器连接，所述反馈漫射器的出光端朝向所述反馈光电池的采光面，所述反馈监测盒不透光。

优选地，所述聚光玻璃锥棒的入射端面直径为e，太阳光经所述大菲涅耳透镜聚焦后的光斑半径为r₁，e和r₁之间满足

优选地，所述聚光玻璃锥棒与所述传光光纤之间要满足耦合条件：

其中，α₁为太阳光出射所述聚光玻璃锥棒的角度，θ_NA为所述传光光纤的孔径角。

优选地，所述传光光纤和所述反馈光纤为双包层光纤或SI型塑料包层传能光纤或SI型石英包层传能光纤。

优选地，其特征在于，所述反馈光电池和所述四象限光电池均为硅光电池。

优选地，所述大镜筒的高度h₁和所述小镜筒的高度和h₂分别满足：h₁≤f₁，h₂≤f₂，

其中，f₁为大菲涅耳透镜的焦距，f₂为小菲涅耳透镜的焦距。

本发明的有益效果：

1)传统的会聚透镜与追踪聚光透镜是独立的，制作和安装误差等都会导致追踪装置与会聚装置出现定位误差，从而导致会聚角度偏差和聚光效率的降低，本发明中所述的双焦点菲涅耳透镜同时做为太阳光会聚和追踪用的透镜，使追踪与聚光由同一组透镜完成，利用菲涅耳透镜可实现大尺寸聚光的特点，使得太阳光会聚所需的透镜数量大为减少，同时，本发明克服了传统的会聚透镜与追踪聚光透镜分别设置所造成的缺陷。

2)由于菲涅耳透镜聚光倍数高，直接照射系统容易损坏器件，采用滤光片过滤部分波长的光，利于聚光玻璃锥棒收集太阳和避免过强太阳光对系统内各种元器件的损坏。。四象限光电池为追踪元件，当太阳光偏离聚光玻璃锥棒时，四象限光电池能够及时采集光照信息。

附图说明

图1为本发明所述基于双焦点菲涅耳透镜的太阳光聚光系统的一较佳实施例的结构示意图；

图2为图1的俯视结构示意图；

图3为图1中反馈监测单元的结构示意图；

图4为图1中的太阳光聚光系统的太阳光会聚并传输的路径示意图；

图5为图1中菲涅耳透镜组件的太阳光聚光的示意图；

图6为图1中小菲涅耳透镜会聚的光斑在四象限光电池的接收端面上发生偏移的示意图；

图7为图1中小菲涅耳透镜聚焦后的光斑半径与K值关系示意图；

图8为太阳光垂直入射菲涅耳透镜组件的结构示意图；

图9为图1中小菲涅耳透镜聚焦后的光斑沿x轴正方向与四象限光电池的相交面积Δs随Δy₁的变化曲线；

图10为图1中经小菲涅耳透镜聚焦后的光斑沿x轴正方向与四象限光电池相交面积Δs随太阳光入射小菲涅耳透镜时的入射角δ的变化曲线；

图中：1.大菲涅耳透镜；2.小菲涅耳透镜；3.大镜筒；4.小镜筒；5.滤光片；6.四象限光电池；7.聚光玻璃锥棒；8.传光光纤；9.照明漫射器；10.反馈光纤；11.反馈监测盒；12.反馈漫射器；13.反馈光电池；14.封闭空间a；15.封闭空间b。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的一种基于双焦点菲涅耳透镜的太阳光聚光系统，包括菲涅耳透镜组件，大镜筒3、小镜筒4、滤光片5、四象限光电池6、聚光玻璃锥棒7、传光光纤8、照明漫射器9、反馈光纤10、反馈监测单元、追踪装置和控制系统；

如图1和图2所示，菲涅耳透镜组件包括大菲涅耳透镜1和小菲涅耳透镜2，大菲涅耳透镜1为圆环状，小菲涅耳透镜2为与大菲涅耳透镜1的内圈相配合的圆形，并嵌入在大菲涅耳透镜1的中心，即如图1所示，大菲涅耳透镜1和小菲涅耳透镜2同心同轴，大菲涅耳透镜1和小菲涅耳透镜2的参数不同，使得菲涅耳透镜组件具有上下两个焦点。

大镜筒3为中空圆柱状，一端开口，另一端面封闭，大菲涅耳透镜1安装于大镜筒3开口的一端面，大镜筒3和大菲涅耳透镜1之间形成封闭空间b15。聚光玻璃锥棒7安装于大镜筒3另一端的封闭面，大镜筒3由不透光材料制成，使得聚光玻璃锥棒7只能接收大菲涅耳透镜1会聚的光，并排除杂光。

如图2所示，小镜筒4为中空圆台状，小镜筒4的宽端面开口，窄端面封闭，小镜筒4位于大镜筒3内，并与大镜筒3同轴，小镜筒4的宽端面与小菲涅耳透镜2连接，小镜筒4和小菲涅耳透镜2之间形成封闭空间a14。

四象限光电池6安装在小镜筒4的窄端面圆心位置，小镜筒4由不透光材料制成，使得四象限光电池6只能接收小菲涅耳透镜2会聚的光，并排除杂光。

如图2所示，聚光玻璃锥棒7的外表面设有高反射膜，聚光玻璃锥棒7与小菲涅耳透镜2、大菲涅耳透镜1同轴同心，聚光玻璃锥棒7的入射端面的面积大于相对应的出射端面面积，且入射端面均位于封闭空间15内，以保证接收从大菲涅耳透镜1出射的太阳光，不受杂光的干扰，聚光玻璃锥棒7的出射端面通过传光光纤8与照明漫射器9连接。

滤光片5同轴安装于大镜筒3内，小镜筒4的窄端面安装于滤光片5的中心，这样滤光片5既能对小镜筒4提供支撑作用，又能用于过滤掉经过大菲涅耳透镜1的光内的部分波长的光，使得经过大菲涅耳透镜1的光对聚光玻璃锥棒7的损坏。

如图3所示，反馈监测单元包括反馈监测盒11、反馈漫射器12、反馈光电池13，反馈漫射器12和反馈光电池13均位于反馈监测盒11内，反馈光纤10的入射端面与照明漫射器9，反馈光纤10的出射端面直接与反馈漫射器12连接，反馈漫射器12的出光端朝向反馈光电池13的采光面。反馈监测盒11为不透光的暗盒，保证反馈光电池13接收到的光完全封闭在暗盒内，并且排除外界的杂光，反馈光电池13和四象限光电池6均为硅光电池。传统的追踪系统只能通过定位，间接地保证太阳光的有效会聚。本发明提出反馈式的太阳追踪技术，以反馈光纤10采集传光光纤输出的太阳光的强度信息并传给控制系统，从而直接获得收集到的太阳光强度情况；反馈监测盒11输出的信号可以实现对太阳光会聚情况的直接反馈，控制系统可根据反馈结果对跟踪系统进行更为有效的控制和调节，实现闭路控制，并且精度高，灵敏度高，成本低，适合各种太阳能设备，可以在民用方面推广普及。

本发明中太阳光的会聚和追踪定位的聚光分别由同轴同心的大菲涅耳透镜1和小菲涅耳透镜2实现，其中大菲涅耳透镜1用于太阳光的会聚，追踪定位包括粗定位和精定位，粗定位由控制系统通过GPS模块完成，精定位由小菲涅耳透镜2、小镜筒4、四象限光电池6、聚光玻璃锥棒7、反馈光纤10、反馈监测盒11和控制系统完成。控制系统通过追踪装置中的GPS模块对太阳进行粗定位，当太阳光偏离四象限光电池6中心时，太阳光会照射在其中的一个或若干个象限，引起四个象限的电压或电流信号发生变化并传输到控制系统，使控制系统获知太阳光偏转信息，进而根据这些信息，调整菲涅耳透镜组件的朝向角度，对太阳进行精定位以使照明漫射器9接收的光强最大。

如图5所示，通过如下公式计算经大菲涅耳透镜1和小菲涅耳透镜2聚焦后的光斑半径：

式中：

b为大菲涅耳透镜1和小菲涅耳透镜2的齿距，α′为太阳光的平均视角的一半，n为大菲涅耳透镜1和小菲涅耳透镜2的材料折射率，α和β满足光的折射定律n′sinβ＝nsinα，n′为空气的折射率，n′近似等于1。

当太阳光垂直照射大菲涅耳透镜1和小菲涅耳透镜2时，经大菲涅耳透镜1会聚的大光斑会聚在聚光玻璃锥棒7的入射端面的正中心，大光斑半径必须满足且经小菲涅耳透镜2会聚的小光斑半径必须满足满足：其中e是聚光玻璃锥棒7的入射端面的直径，m为四象限光电池6的直径，r₁为太阳光经大菲涅耳透镜1会聚后的光斑半径，r₂为太阳光经小菲涅耳透镜2会聚后的光斑半径。

如图5-6所示，当太阳光垂直照射到菲涅耳透镜组件时，大光斑、小光斑分别完全落在聚光玻璃锥棒7的入射端面和四象限光电池6的接收端面；当太阳光以一个偏角照射到菲涅耳透镜组件时，大光斑会偏离聚光玻璃锥棒7的中心位置，此时大光斑偏离聚光玻璃锥棒7入射端面的距离是Δy₁，Δy₁的表达式为：

Δy₁＝f₁tanδ

δ是太阳光入射到大菲涅耳透镜1时的入射角，f₁是菲涅耳透镜1的焦距。Δy₁值的范围为：当大菲涅耳透镜1以及聚光玻璃锥棒7的各项参数确定后，即可以计算出太阳光入射到大菲涅耳透镜1时的入射角δ，继而可以根据大菲涅耳透镜1的参数来寻找符合条件的小菲涅耳透镜2的各项参数。

δ_max定义为小菲涅耳透镜2精定位的最大追踪角度范围，Δζ为粗定位中GPS模块的追踪角度误差，由GPS模块定位精度以及时间精度确定，Δζ、δ和δ_max之间满足：δ≥δ_max＞Δζ。

如图8所示，经大菲涅耳透镜1会聚的大光斑入射传光光纤8的角度α₁和经小菲涅耳透镜2照射四象限光电池6的角度α₂，必须满足α₂≥α₁，计算可得，大菲涅耳透镜1与小菲涅耳透镜2的参数需要满足：

其中，D₁为大菲涅耳透镜1的直径，D₂为小菲涅耳透镜2的直径，R₁为大菲涅耳透镜1的半径，R₂为小菲涅耳透镜2的半径，f₁为大菲涅耳透镜1的焦距，f₂为小菲涅耳透镜2的焦距，c为大菲涅耳透镜1透过的光占菲涅耳透镜组的整体比例。

如果选定菲涅耳透镜1的直径D₁，那么根据可以得出小菲涅耳透镜2的直径范围；根据可以得出小菲涅耳透镜2的焦距范围。

如图4和图8所示，假设选定菲涅耳透镜1的直径D₁＝360mm，由于而得出K值越大则经大菲涅耳透镜1会聚后的光斑出射聚光玻璃锥棒7时的角度越大，那么所用的传光光纤8的θ_NA的值越大，即K值会影响光与传光光纤8的耦合。

如图7所示，假设选择直径D₂＝110mm的小菲涅耳透镜2，由公式可以看出，K越大，f越小，直接导致经小菲涅耳透镜2会聚的光斑半径r₂越大，然而光斑半径r₂越大越不利于精定位。

综上可以得出，K值不仅影响光斑半径，同时还影响从聚光玻璃锥棒7射出的光与传光光纤8的耦合；K值越大，光斑越大，则越不利于精定位和光与传光光纤8的耦合。

因此，聚光玻璃锥棒7与传光光纤8之间要满足耦合条件：

其中，α₂为太阳光出射聚光玻璃锥棒7的角度，θ_NA为传光光纤8的孔径角。

下面分析太阳光入射到小菲涅耳透镜2时的入射角范围δ_a

如图6所示，建立坐标系，取小光斑沿x轴正方向与四象限光电池6相交的情况进行计算，假设小光斑直径2r₂正好与四象限光电池6的直径m相等，为m＝8mm。由于光斑向x轴正方向移动，经小菲涅耳透镜2会聚后的光斑的圆心与四象限光电池6圆心的圆心距偏移量Δy₂逐渐变大。

四象限光电池6的方程：

x²+y²＝4²

小光斑的方程：

(x-Δx)²+y²＝4²，Δx∈[0，8]

如图9所示，利用MATLAB拟合出小光斑沿x轴正方向与四象限光电池的相交面积Δs随Δy₂的变化曲线。图中显示，当偏移量Δy₂为0mm时，小光斑与四象限光电池6的相交面积Δs达到最大值；当偏移量Δy₂为8mm时，此时小光斑已经完全偏离四象限光电池6，小光斑与四象限光电池6的相交面积Δs为0。

如图10所示，利用MATLAB拟合出光斑沿x轴正方向和四象限光电池6的相交面积变化量Δs与太阳光入射小菲涅耳透镜2时的入射角δ的曲线关系图。图中显示，当入射角δ达到0°左右时，小光斑与四象限光电池6的相交面积Δs达到最大值，与图9中偏移量Δy₂为0mm时结果相符合，此时小光斑已经完全覆盖住四象限光电池6；当入射角度δ达到3.8°左右时，小光斑与四象限光电池6的相交面积Δs为0，与图9中偏移量Δy₂为8mm时的结果相一致，此时小光斑已经完全偏离四象限光电池6，说明精定位的最大跟踪角度δ_max为3.8°左右。

由以上分析可知，当追踪角度过大或过小时，四象限光电池接收到的光强较弱，如果区分不清是哪种情形，则无法确定转动镜筒3的方向。此时，根据反馈光纤10接收到的光强情况，即可判断太阳光是否照射在聚光玻璃锥棒7上，从而确定镜筒3的方向。

由于GPS粗定位有一定的误差Δζ，因此，精定位的最大追踪角度δ_max必须大于粗定位中GPS模块的追踪角度误差Δζ，即当粗定位完成后，其定位误差应在精定位的最大追踪范围以内，从而使精定位能够进行有效的追踪。两者配合下，可以实现大角度、高精度的太阳光追踪定位。

本发明的工作过程：

粗定位：本发明开启后，控制系统首先将镜筒3归位或调出上次运行角度记录，再由GPS模块获取当地时间和地理位置等信息并根据太阳运动理论以确定太阳的位置并反馈给控制系统，控制系统发出指令驱动镜筒3转动后跟随太阳完成粗定位。

精定位：控制系统根据从反馈监测盒11接收到的电流或电压信号的强弱，判断天气阴晴状况，若从反馈监测盒11中的反馈光电池13没有接收到电流或电压信号，则判断为阴天，控制系统发出指令继续使用GPS进行追踪定位；若从反馈监测盒11中的反馈光电池13接收到电流或电压信号，则判断为晴天，那么控制系统根据四象限光电池6所反馈的电流或电压信号大小，发出指令驱动圆柱体镜筒3带动大菲涅耳透镜1和小菲涅耳透镜2、聚光玻璃锥棒7等沿四象限光电池6的Q₁、Q₂、Q₃和Q₄四个方向中信号较强的方向转动，直至获得最强的光强。

对镜筒3的位置以及角度调整：精定位完成后，控制系统根据所获得的最强光强时的电压或电流值，设定判定阴晴的四象限光电池6的阈值电流或阈值电压，当检测到的电流或电压达到阈值时，再次调整镜筒3的位置，直至四象限光电池6的四个象限所接收的光信号均足够小为止，从而保证大、小菲涅耳透镜对准太阳；控制系统同时监测反馈光电池13所接收的光信号的变化，如果光信号发生明显的减弱，而四象限光电池6所输出的电流或电压均未达到阈值，则可判断为天气发生变化，则控制系统发出指令继续使用GPS进行追踪定位；如果在追踪太阳的过程中，调整圆柱体镜筒3的位置和角度后仍无法接收到太阳光，那么控制系统发出指令重新启动GPS模块进行太阳的粗定位，并重复精定位和对镜筒3的位置以及角度调整。

具体地，本实施例中选取焦距f₁＝450mm的大菲涅耳透镜1，计算得到其大光斑直径为7.382mm即光斑半径为r₁＝3.691mm，计算后得其直径为D₁＝360mm，选择大菲涅耳透镜1透过的光占整体比例c为90％。选择聚光玻璃锥棒7的直径为e为9.62mm，根据计算得出此时太阳光入射到大菲涅耳透镜1时入射角δ为：

即系统精定位的最大跟踪角度为1.1°。

根据公式计算选择大菲涅耳透镜1的直径D₁＝360mm。

将以上参数带入公式中，得出

D₂≤0.316D₁

所以

D₂≤113.8mm，R₂≤56.9mm

此时选取半径为R₂＝55mm小菲涅耳透镜2，又因为精定位的最大跟踪角度为δ＝1.1°，且根据公式所以得出：

可以得出：

f₂≤220mm

又根据公式

所以得出：

f₂＜388.9mm

综上得：

f₂＜220mm

此时可以确定小菲涅耳透镜的参数：直径D_f2≤113.8mm，焦距f₂≤220mm。

所选取的双焦点菲涅耳透镜会聚系统中的大菲涅耳透镜1的参数是：直径为D₁＝360mm，焦距f＝450mm，通过计算可以得出经大菲涅耳透镜1会聚的光斑在出射聚光玻璃锥棒7时的角度为如果传光光纤8选用为双包层光纤，其数值孔径NA＝0.45，则孔径角为满足如果传光光纤8选用为SI型塑料包层传能光纤，其数值孔径NA＝0.46，则其孔径角满足所以K＝0.5时，可以达到较理想的效果。选取四象限光电池6的直径为m＝8mm，根据小光斑偏离四象限光电池6接收端面的距离公式Δy₂＝f₂tanδ＝2.30412mm，即小光斑偏离小菲涅尔透镜2的焦平面中点最远约2.30412mm，小菲涅尔透镜2精定位的最大跟踪角度范围最大值可达1.1°，满足δ≥δ_max＞Δζ；本发明所设计的基于双焦点菲涅耳透镜的太阳光聚光跟踪系统可以同时实现两个焦点，且小透镜精定位跟踪角度范围的最大值可达1.1°，因此上述方案可以满足要求。

实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于双焦点菲涅耳透镜的太阳光聚光系统，其特征在于，包括：

菲涅耳透镜组件，包括大菲涅耳透镜(1)和小菲涅耳透镜(2)，所述大菲涅耳透镜(1)为圆环状，所述小菲涅耳透镜(2)为与所述大菲涅耳透镜(1)的内圈相配合的圆形，并嵌入在所述大菲涅耳透镜(1)的中心，所述大菲涅耳透镜(1)与所述小菲涅耳透镜(2)同圆心，且参数不同，使得所述菲涅耳透镜组件具有上下两个焦点；

大镜筒(3)，为中空圆柱状，一端开口，另一端面封闭，所述大菲涅耳透镜(1)安装于所述大镜筒(3)开口端面，所述大镜筒(3)与所述菲涅耳透镜组件之间形成封闭空间b(15)；

小镜筒(4)，为中空圆台状，所述小镜筒(4)的宽端面开口，窄端面封闭，所述小镜筒(4)的宽端面与所述小菲涅耳透镜(2)连接，所述小镜筒(4)和所述小菲涅耳透镜(2)之间形成封闭空间a(14)；

四象限光电池(6)，位于所述小镜筒(4)的窄端面的圆心位置；

滤光片(5)，同轴安装于所述大镜筒(3)内；

聚光玻璃锥棒(7)，安装于所述大镜筒(3)封闭端面，且与所述大菲涅耳透镜(1)、所述小菲涅耳透镜(2)同轴，所述聚光玻璃锥棒(7)的入射端面的面积均大于出射端面的面积，且入射端面位于所述封闭空间b(15)内；

传光光纤(8)和照明漫射器(9)，所述聚光玻璃锥棒(7)的出射端面通过所述传光光纤(8)与所述照明漫射器(9)连接；

反馈光纤(10)和反馈监测单元，所述反馈光纤(10)的一端与所述照明漫射器(9)连接，另一端与所述反馈监测单元连接；

追踪装置，内置GPS模块，所述大镜筒(3)安装于所述追踪装置上；

控制系统，所述反馈监测单元、四象限光电池(6)和追踪装置均与所述控制系统连接；

其中，所述大镜筒(3)和所述小镜筒(4)均不透光，所述控制系统首先通过所述追踪装置中的GPS模块对太阳进行粗定位，然后根据所述反馈单元的信号判断天气状况，若为晴天，则根据所述四象限光电池(6)传输的信号通过追踪装置使大镜筒(3)转动，通过所述小菲涅耳透镜(2)对太阳进行精定位以使照明漫射器(9)接收的光强最大，若为阴天则继续进行粗定位。

2.根据权利要求1所述的基于双焦点菲涅耳透镜的太阳光聚光系统，其特征在于，所述大菲涅耳透镜(1)与所述小菲涅耳透镜(2)的参数满足：

其中，D₁为所述大菲涅耳透镜(1)的直径，D₂为所述小菲涅耳透镜(2)的直径，R₁为所述大菲涅耳透镜(1)的半径，R₂为所述小菲涅耳透镜的半径，f₁为所述大菲涅耳透镜(1)的焦距，f₂为所述小菲涅耳透镜(2)的焦距，c为所述大菲涅耳透镜(1)透过的光占所述菲涅耳透镜组件透过的光的比例。

3.根据权利要求1所述的基于双焦点菲涅耳透镜的太阳光聚光系统，其特征在于，粗定位中所述GPS模块的追踪角度误差为Δζ，所述小菲涅耳透镜(2)精定位的最大追踪角度为δ_max，太阳光入射到所述大菲涅耳透镜(1)的入射角为δ，Δζ、δ和δ_max之间满足：δ≥δ_max＞Δζ，δ由下式确定：

其中，e为所述聚光玻璃锥棒(7)的直径，r₁是经所述大菲涅耳透镜(1)会聚后的光斑半径，f₁为所述大菲涅耳透镜(1)的焦距，Δy₁为经所述大菲涅耳透镜(1)会聚后的光斑在其焦平面上的移动距离。

4.根据权利要求1所述的基于双焦点菲涅耳透镜的太阳光聚光系统，其特征在于，大菲涅耳透镜(1)和小菲涅耳透镜(2)的参数之间满足：

其中，R₂为小菲涅耳透镜(2)的半径，f₁为大菲涅耳透镜(1)的焦距，f₂为小菲涅耳透镜(2)的焦距。

5.根据权利要求1所述的基于双焦点菲涅耳透镜的太阳光聚光系统，其特征在于，所述反馈监测单元包括反馈监测盒(11)、反馈漫射器(12)和反馈光电池(13)，所述反馈漫射器(12)和所述反馈光电池(13)位于所述反馈监测盒(11)内，所述反馈光纤(10)的另一端伸入所述反馈监测盒(11)内与所述反馈漫射器(12)连接，所述反馈漫射器(12)的出光端朝向所述反馈光电池(13)的采光面，所述反馈监测盒(11)不透光。

6.根据权利要求1所述的基于双焦点菲涅耳透镜的太阳光聚光系统，其特征在于，所述聚光玻璃锥棒(7)的入射端面直径为e，太阳光经所述大菲涅耳透镜(1)聚焦后的光斑半径为r₁，e和r₁之间满足

7.根据权利要求1所述的基于双焦点菲涅耳透镜的太阳光聚光系统，其特征在于，所述聚光玻璃锥棒(7)与所述传光光纤(8)之间要满足耦合条件：

其中，α₁为太阳光出射所述聚光玻璃锥棒(7)的角度，θ_NA为所述传光光纤(8)的孔径角。

8.根据权利要求5所述的基于双焦点菲涅耳透镜的太阳光聚光系统，其特征在于，所述传光光纤(8)和所述反馈光纤(10)为双包层光纤或SI型塑料包层传能光纤或SI型石英包层传能光纤。

9.根据权利要求5任意一项所述的基于双焦点菲涅耳透镜的太阳光聚光系统，其特征在于，所述反馈光电池(13)和所述四象限光电池(6)均为硅光电池。

10.根据权利要求1所述的基于双焦点菲涅耳透镜的太阳光聚光系统，其特征在于，所述大镜筒(3)的高度h₁和所述小镜筒(4)的高度h₂分别满足：h₁≤f₁，h₂≤f₂，

其中，f₁为大菲涅耳透镜(1)的焦距，f₂为小菲涅耳透镜(2)的焦距。