CN205157876U - 一种短焦距聚光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种短焦距聚光器，包括入射面和出射面，所述入射面和出射面均为设置有多条凹陷的齿槽，每个齿槽中对应的用于起聚光作用的齿面均为弧面结构，下部齿槽的弧面轮廓形状随与之对应的上部齿槽的轮廓形状的变化而变化。本实用新型通过双面的结构设计，可将聚光器焦距与聚光器口径的比压缩至0.7，同时齿槽中的齿面采用弧面结构，可实现齿间距可以任意选择的同时，依然能获得较小的光斑，即使用较大的齿间距在提高光效的同时满足较高的聚光倍数。

Description

一种短焦距聚光器

技术领域

本实用新型属于太阳能利用技术领域，特别涉及一种短焦距聚光器。

背景技术

目前的菲涅尔透镜均为单面结构，即入射面为平面结构，出射面为有多条凹陷的齿槽结构，该结构设计使得聚光组件的厚度比较厚，聚光器焦距与聚光器口径的比(F/#)通常为1.1，而且现有菲涅尔透镜齿槽中的齿面均设为平面，这样就必须要求菲涅尔透镜本身非常薄，即齿间距极小，通常要求在0.5mm以下，齿间距如果过大，将导致光斑过大。但由于工艺的原因，导致每一个齿尖与齿底，即每一个齿面的分段处，将形成圆角，而在该圆角的部分，将会有光损失，而且齿越小则光效损失越大。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种在提高光效的同时满足较高聚光倍数的短焦距聚光器。

本实用新型的技术方案是这样实现的：一种短焦距聚光器，包括入射面和出射面，其特征在于：所述入射面和出射面均为设置有多条凹陷的齿槽，每个齿槽中对应的用于起聚光作用的齿面均为弧面结构，下部齿槽的弧面轮廓形状随与之对应的上部齿槽的轮廓形状的变化而变化，将光线离散化且从右至左进行编号，分别为0、1、2、3至N，且假设相邻两条光线之间的间距为ΔX，通过每一根光线的光路确定其所通过对应齿槽中上、下部弧形齿面轮廓形状的曲线方程；

所述上部弧形齿面的曲线方程满足：

$\frac{x_n}{m}=\frac{a}{b}$

y_n＝y_n-1+△x*tanβ

x_n＝x_n-1-△x

$\tan \mathrm{\α}=\frac{h+y_n}{a-(b-m)}$

sinβ＝nsinθ

$\mathrm{\α}-\mathrm{\θ}+\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\π}}{2}$

其中，x_n为第N条光线的X值，m是第N条光线通过该曲线后在焦点处的X值，a为透镜半口径，b为焦点半径，y_n为第N条光线与曲线交点的Y值，ΔX为相邻两条光线的间距，β为光线的入射角，θ为入射角，α为折射光线与X轴的夹角，h为x轴与焦点的垂直距离，n是材料折射率；

其中a、b,ΔX、h、n为已知，且Y₀＝0，通过上式，选取适当的x值，即可求得每一个齿的曲线点；

所述下部弧形齿面的曲线方程满足：

△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，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，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；

其中，对应上、下齿槽的上、下齿面相当于构成一个独立的透镜，假定整个菲涅尔透镜的半径为R，即X₀＝R，通过上述的方程即可得到上下两条连续曲线的形状，在合理的高度位置H处截断连续曲线，截断位置的X值为X₁，截取齿面宽度为W₁，则X₁＝R-W₁，以此作为下一个齿面的初始计算点，在下一个齿面高度接近H时，截断曲线；以此类推，直到X_n＝0时，整个菲涅尔透镜计算完毕。

本实用新型所述的短焦距聚光器，其所述入射面上的齿槽以及出射面上的齿槽分别以透镜的轴心为对称中心轴对称布置，所述入射面上的齿槽个数与出射面上的齿槽个数相等。

本实用新型通过双面的结构设计，可将聚光器焦距与聚光器口径的比压缩至0.7，同时齿槽中的齿面采用弧面结构，可实现齿间距可以任意选择的同时，依然能获得较小的光斑，即使用较大的齿间距在提高光效的同时满足较高的聚光倍数。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的聚光示意图。

图3是本实用新型的剖面图。

图4是本实用新型剖面的局部放大图。

图5是本实用新型中上部齿槽的齿面曲线方程原理图。

图6是本实用新型中下部齿槽的齿面曲线方程原理图。

图中标记：1为入射面，2为出射面，3为齿槽，4为齿面，5为对称中心轴。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1-4所示，一种短焦距聚光器，包括入射面1和出射面2，所述入射面1和出射面2均为设置有多条凹陷的齿槽3，每个齿槽中对应的用于起聚光作用的齿面4均为弧面结构，所述入射面1上的齿槽以及出射面2上的齿槽分别以透镜的轴心为对称中心轴5对称布置，为了光线的一一对应，所述入射面1上的齿槽个数与出射面2上的齿槽个数相等。

短焦距聚光器的难点在于：为了得到较小的光斑，上、下两层菲涅尔透镜需要相互匹配，即下部齿槽的弧面轮廓形状随与之对应的上部齿槽的轮廓形状的变化而变化，为了使得上下两层菲涅尔透镜匹配，设计时将光线离散化，同时由于聚光器为中心对称，设计时只考虑通过该对称中心的一个横截面，最后该横截面沿该对称中心选择得到所需聚光器。

具体方法为：在如图4所示的横截面上，将光线离散化且从右至左进行编号，分别为0、1、2、3至N，且假设相邻两条光线之间的间距为ΔX，通过每一根光线的光路确定其所通过对应齿槽中上、下部弧形齿面轮廓形状的曲线方程.

如图5所示，首先，确定上部齿面的方程，其曲线方程满足：

$\frac{x_n}{m}=\frac{a}{b}$

y_n＝y_n-1+△x*tanβ

x_n＝x_n-1-△x

$\tan \mathrm{\α}=\frac{h+y_n}{a-(b-m)}$

sinβ＝nsinθ

$\mathrm{\α}-\mathrm{\θ}+\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\π}}{2}$

其中，x_n为第N条光线的X值，m是第N条光线通过该曲线后在焦点处的X值，a为透镜半口径，b为焦点半径，y_n为第N条光线与曲线交点的Y值，ΔX为相邻两条光线的间距，β为光线的入射角，θ为入射角，α为折射光线与X轴的夹角，h为x轴与焦点的垂直距离，n是材料折射率；

其中a、b,ΔX、h、n为已知，且Y₀＝0，通过上式，选取适当的x值，即可求得每一个齿的曲线点。另外，上部齿面的曲线方程也可由专利CN201210534148.4中公开的设计方法得到。

如图6所示，其次，当所述上部齿面的曲线方程确定后，再确定其对应的下部齿面的方程，所述下部齿面的轮廓形状在形成上部齿面轮廓形状的平面坐标系中的曲线方程满足：

△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，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；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可由上部齿面求得，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，这样就得到下部齿面的各点坐标(y'_n，x'_n)，即得到下部齿面的曲线。

其中，对应上、下齿槽的上、下齿面相当于构成一个独立的透镜，假定整个菲涅尔透镜的半径为R，即X₀＝R，通过上述的方程即可求得上下两条连续曲线，在合理的高度位置H处截断连续曲线，截断位置的X值为X₁，截取齿面宽度为W₁，则X₁＝R-W₁，以此作为下一个齿面的初始计算点，在下一个齿面高度接近H时，截断曲线；以此类推，直到X_n＝0时，整个菲涅尔透镜计算完毕。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种短焦距聚光器，包括入射面和出射面，其特征在于：所述入射面和出射面均为设置有多条凹陷的齿槽，每个齿槽中对应的用于起聚光作用的齿面均为弧面结构，下部齿槽的弧面轮廓形状随与之对应的上部齿槽的轮廓形状的变化而变化，将光线离散化且从右至左进行编号，分别为0、1、2、3至N，且假设相邻两条光线之间的间距为ΔX，通过每一根光线的光路确定其所通过对应齿槽中上、下部弧形齿面轮廓形状的曲线方程；

所述上部弧形齿面的曲线方程满足：

$\frac{x_n}{m}=\frac{a}{b}$

y_n＝y_n-1+△x*tanβ

x_n＝x_n-1-△x

$\tan \mathrm{\α}=\frac{k+y_n}{a-(b-m)}$

sinβ＝nsinθ

$\mathrm{\α}-\mathrm{\θ}+\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\π}}{2}$

其中，x_n为第N条光线的X值，m是第N条光线通过该曲线后在焦点处的X值，a为透镜半口径，b为焦点半径，y_n为第N条光线与曲线交点的Y值，ΔX为相邻两条光线的间距，β为光线的入射角，θ为入射角，α为折射光线与X轴的夹角，h为x轴与焦点的垂直距离，n是材料折射率；

其中a、b,ΔX、h、n为已知，且Y₀＝0，通过上式，选取适当的x值，即可求得每一个齿的曲线点；

所述下部弧形齿面的曲线方程满足：

△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，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，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

其中，对应上、下齿槽的上、下齿面相当于构成一个独立的透镜，假定整个菲涅尔透镜的半径为R，即X₀＝R，通过上述的方程即可得到上下两条连续曲线的形状，在合理的高度位置H处截断连续曲线，截断位置的X值为X₁，截取齿面宽度为W₁，则X₁＝R-W₁，以此作为下一个齿面的初始计算点，在下一个齿面高度接近H时，截断曲线；以此类推，直到X_n＝0时，整个菲涅尔透镜计算完毕。

2.根据权利要求1所述的短焦距聚光器，其特征在于：所述入射面上的齿槽以及出射面上的齿槽分别以透镜的轴心为对称中心轴对称布置，所述入射面上的齿槽个数与出射面上的齿槽个数相等。