一種聚焦透鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于太陽能光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種在寬光譜范圍產(chǎn)生均勻方形光斑 的方形聚焦透鏡。
【背景技術(shù)】
[0002] 聚焦透鏡是聚焦光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分之一。以塑料和玻璃為材料的聚焦 透鏡，具有高透光性，質(zhì)量輕，成本低廉以及制造方便等優(yōu)點(diǎn)。相比價(jià)格較高的光伏電池，廉 價(jià)的聚焦透鏡通過聚焦太陽光，提高太陽能輻照密度，達(dá)到減少電池使用面積的目的。由于 聚焦光斑過度集中形成的熱斑，導(dǎo)致電池表面局部高溫，電池發(fā)電效率降低，更為嚴(yán)重的 情況可能導(dǎo)致電池因灼傷而失效，同時(shí)也不利于電池散熱以及熱能的后續(xù)利用。聚焦光斑 的形狀和均勻性由聚焦透鏡的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)決定。
[0003] 目前，國內(nèi)外設(shè)計(jì)的折射（包括折射與全內(nèi)反射結(jié)合）聚焦系統(tǒng)按聚光元件的數(shù) 目可分為二級聚光系統(tǒng)和一級聚光系統(tǒng)。二級聚光系統(tǒng)主要部件為一級光學(xué)元件和二級 光學(xué)元件，二級光學(xué)元件接收一級光學(xué)元件聚焦的集中度較高的太陽輻照，通過二級光學(xué) 元件將集中的太陽輻照重新分布成均勻的太陽輻照，最后到達(dá)光伏電池表面。二級聚光系 統(tǒng)能夠獲得均勻度較高的輻照度分布，但是增加了聚光系統(tǒng)的制造成本以及安裝難度。一 級聚光系統(tǒng)相對二級聚光系統(tǒng)制造成本低，但是聚焦于電池表面的輻照度均勻性低。文獻(xiàn) I(J. Mendes-Lopes, et. al, 9-fold Fresnel-Kohler concentrator with Fresnel lens of variable focal point, Optics express, 2014)二級光學(xué)元件采用9裙皺科勒積分器，每 塊褶皺對應(yīng)一級光學(xué)元件的相應(yīng)部分，通過科勒積分器形成均勻度較高的輻照度分布。文 獻(xiàn)2(K. Ryu, et. al, Concept and design of modular Fresnel lenses for concentration solar PV system, Solar energy, 2006)米用方形模塊化菲涅爾透鏡，通過光斑重疊形成均 勻方形光斑。上述第一種聚焦透鏡設(shè)計(jì)采用二級聚光設(shè)計(jì)，成本較高，到達(dá)接收面的光斑均 勻性較高。第二種聚焦透鏡設(shè)計(jì)采用一級聚光設(shè)計(jì)，成本低，光斑均勻性相對較低，而且每 個模塊小棱鏡的尺寸限制了光斑的尺寸，無法形成一厘米級別的光斑。上述二級聚光系統(tǒng)， 一級聚光元件產(chǎn)生的高度集中的太陽輻照可能灼傷二級聚光元件。上述一級聚光設(shè)計(jì)沒有 考慮太陽波長對輻照均勻性和聚光比的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提出一種在寬光譜范圍內(nèi)，形成均勻輻照度分布的方形聚焦透 鏡，該聚焦透鏡形成的輻照度均勻性以及聚光比在較寬光譜范圍內(nèi)對入射光的波長變化不 敏感。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種聚焦透鏡，由縱向和橫向數(shù)量相等的小 棱鏡依次排列為方形結(jié)構(gòu)，其中，縱向和橫向的小棱鏡數(shù)量為奇數(shù)；小棱鏡的橫截面為方 形；在聚焦透鏡面向光線的一側(cè)，所有小棱鏡的端面位于同一平面內(nèi)；在聚焦透鏡面向太 陽能電池的一側(cè)，除位于方形結(jié)構(gòu)中心位置的小棱鏡外，其他所有的小棱鏡均具有一個斜 面；所述斜面的傾斜方向均指向太陽能電池接收面所在位置，從而保證光線經(jīng)過斜面后到 達(dá)太陽能電池接收表面。
[0006] 較佳地，位于所述方形結(jié)構(gòu)中心以及對角線上的小棱鏡，其橫截面為正方形，且由 中心向外，每一小棱鏡的邊長逐漸增大；方形結(jié)構(gòu)中，除中心以及對角線上的小棱鏡外，其 它小棱鏡的橫截面為長方形，其中，同一列內(nèi)每個小棱鏡的寬度相等，同一行內(nèi)每個小棱鏡 的長度相等。
[0007] 較佳地，位于方形結(jié)構(gòu)中心的小棱鏡，其邊長等于太陽能電池接收面的邊長；對于 縱向中軸線上的小棱鏡，每個小棱鏡的寬度等于太陽能電池接收面的邊長；對于橫向中軸 線上的小棱鏡，每個小棱鏡在長度等于太陽能電池接收面的邊長。
[0008] 較佳地，縱向中軸線上小棱鏡的斜面關(guān)于中心小棱鏡對稱設(shè)置，橫向中軸線上小 棱鏡的斜面關(guān)于中心小棱鏡對稱設(shè)置；位于方形結(jié)構(gòu)縱向中軸線上的每個小棱鏡以及位于 橫向中軸線上的每個小棱鏡的棱鏡，其棱鏡角α以及邊長尺寸由迭代公式（1)，（2)和（3) 依次計(jì)算獲得，
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種聚焦透鏡，其特征在于，由縱向和橫向數(shù)量相等的小棱鏡依次排列為方形結(jié)構(gòu)， 其中，縱向和橫向的小棱鏡數(shù)量為奇數(shù)；小棱鏡的橫截面為方形；在聚焦透鏡面向光線的 一側(cè)，所有小棱鏡的端面位于同一平面內(nèi)；在聚焦透鏡面向太陽能電池的一側(cè)，除位于方形 結(jié)構(gòu)中心位置的小棱鏡外，其他所有的小棱鏡均具有一個斜面；所述斜面的傾斜方向均指 向太陽能電池接收面所在位置，從而保證光線經(jīng)過斜面后到達(dá)太陽能電池接收表面。
2. 如權(quán)利要求1所述聚焦透鏡，其特征在于，位于所述方形結(jié)構(gòu)中心以及對角線上的 小棱鏡，其橫截面為正方形，且由中心向外，每一小棱鏡的邊長逐漸增大；方形結(jié)構(gòu)中，除中 心以及對角線上的小棱鏡外，其它小棱鏡的橫截面為長方形，其中，同一列內(nèi)每個小棱鏡的 寬度相等，同一行內(nèi)每個小棱鏡的長度相等。
3. 如權(quán)利要求2所述聚焦透鏡，其特征在于，位于方形結(jié)構(gòu)中心的小棱鏡，其邊長等于 太陽能電池接收面的邊長；對于縱向中軸線上的小棱鏡，每個小棱鏡的寬度等于太陽能電 池接收面的邊長；對于橫向中軸線上的小棱鏡，每個小棱鏡在長度等于太陽能電池接收面 的邊長。
4. 如權(quán)利要求2所述聚焦透鏡，其特征在于，縱向中軸線上小棱鏡的斜面關(guān)于中心小 棱鏡對稱設(shè)置，橫向中軸線上小棱鏡的斜面關(guān)于中心小棱鏡對稱設(shè)置；位于方形結(jié)構(gòu)縱向 中軸線上的每個小棱鏡以及位于橫向中軸線上的每個小棱鏡的棱鏡，其棱鏡角α以及邊 長尺寸由迭代公式（1)，（2)和（3)依次計(jì)算獲得，
公式（1)，（2)和（3)中，d為太陽能電池的接收面邊長尺寸，f為聚焦透鏡焦距，η為 制造聚焦透鏡的光學(xué)材料對某一波長的折射率，下標(biāo)i表示由位于中心的小棱鏡依次向外 的每個小棱鏡的編號，中心小棱鏡的編號為0,其他小棱鏡的編號，依次向外為1、2、3等等； β為入射光線與小棱鏡斜面法線的夾角；β '為入射角β對應(yīng)的折射角，對于光線垂直于 聚焦透鏡面向光線一側(cè)入射的情況，棱鏡角α與入射角β值相等，k表示求和號中每項(xiàng)的 序號；1對于縱向中軸線上的小棱鏡來說，其表示每個小棱鏡的長度，對于橫向中軸線上的 小棱鏡來說，其表不每個小棱鏡的寬度； 對角線上的小棱鏡的邊長及棱鏡角α可由公式（4)、（5)和（6)計(jì)算獲得，
a (i, i) = β (i, i) (5)
公式（4)、（5)和（6)中，棱鏡角α與入射角β括號中的參數(shù)表不小棱鏡編號，1\為 中間變量，為簡化公式而定義，對角線上小棱鏡斜面關(guān)于對角線對稱； 除中軸線和對角線外，其余小棱鏡的棱鏡角α由公式（7)、（8)、（9)和（10)計(jì)算獲得：
公式（7)、（8)、（9)和（10)中，棱鏡角α與入射角β括號中的參數(shù)表不小棱鏡編號， 如圖所示，l(i，j)為計(jì)算棱鏡角而定義的變量，γ為小棱鏡偏離中軸線的角度，括號內(nèi)參 數(shù)為小棱鏡編號。
5.如權(quán)利要求4所述聚焦透鏡，其特征在于，整個聚焦透鏡以橫向中軸線和縱向中軸 線為界劃分為四個部分；中軸線上小棱鏡的尺寸和棱鏡角按照相同波長計(jì)算確定，四個部 分分別按照四個不同的波長確定其小棱鏡的尺寸和棱鏡角。
【專利摘要】本發(fā)明提出一種聚焦透鏡。由縱向和橫向數(shù)量相等的小棱鏡依次排列為方形結(jié)構(gòu)，其中，縱向和橫向的小棱鏡數(shù)量為奇數(shù)；小棱鏡的橫截面為方形；在聚焦透鏡面向光線的一側(cè)，所有小棱鏡的端面位于同一平面內(nèi)；在聚焦透鏡面向太陽能電池的一側(cè)，除位于方形結(jié)構(gòu)中心位置的小棱鏡外，其他所有的小棱鏡均具有一個斜面；所述斜面的傾斜方向均指向太陽能電池接收面所在位置，從而保證光線經(jīng)過斜面后到達(dá)太陽能電池接收表面。本發(fā)明形成的輻照度均勻性以及聚光比在較寬光譜范圍內(nèi)對入射光的波長變化不敏感。
【IPC分類】G02B3-08
【公開號】CN104730602
【申請?zhí)枴緾N201510131548
【發(fā)明人】宣益民, 李典鴻
【申請人】南京理工大學(xué)
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月24日