專利名稱：聚光透鏡、復眼式透鏡聚光器及復眼式聚光太陽電池組件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及聚光光伏發(fā)電技術領域中用于將太陽光匯聚并投射到光伏電池上的 聚光透鏡及復眼式透鏡聚光器；本發(fā)明還涉及一種基于上述聚光透鏡和復眼式透鏡聚光器 的復眼式聚光太陽電池組件。
背景技術：
聚光光伏發(fā)電技術是公認的可降低光伏發(fā)電成本的有效途徑。目前，一個完整的 聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括復眼式聚光太陽電池組件、太陽跟蹤器、電能存儲或逆變設備 等幾部分。復眼式聚光太陽電池組件作為光電轉(zhuǎn)換部件，主要由復眼式透鏡聚光器和安裝 有光伏電池晶片的電路板所組成。其中，復眼式透鏡聚光器包括多塊平面陣列的聚光透鏡。使用時通過太陽跟蹤器 使聚光透鏡基本正對陽光照射方向，然后通過這些聚光透鏡分別將太陽光匯聚并投射到電 路板上與各個聚光透鏡相對應的光伏電池晶片的接收面上，從而使各個光伏電池晶片中產(chǎn) 生電流，這些電流通過電路板上的線路輸出。公開號為CN101640502A的發(fā)明專利申請文件所公開的聚光太陽電池組件極具代 表性。該電池組件中采用的點聚光菲涅爾透鏡已成為業(yè)界公認的聚光透鏡的最佳選折。仍 有許多公開了采用聚光菲涅爾透鏡作聚光透鏡的聚光光伏發(fā)電技術的參考文獻，在此不再 贅述。實際上，采用菲涅爾透鏡并非沒有缺憾。比如，由于菲涅爾透鏡表面紋路的加工缺 陷，會造成一部分入射光線的損失，導致光線透過率僅處于75%左右的較低水平上；而且 這種加工缺陷又是以目前的加工技術所難以克服的。又如，菲涅爾透鏡可看成由多個同光 軸凸透鏡的組合，故其聚光后光斑能量分布不夠均勻。采用普遍使用的球面凸透鏡替代菲涅爾透鏡可解決光線透過率較低的問題。然 而，球面凸透鏡只能將光線集中于該透鏡的焦點，因此無論將光伏電池晶片安裝在其焦點 略靠前或靠后的位置，都會造成電池晶片接收面的中心與周邊的光斑能量分布不均，致使 電池內(nèi)部產(chǎn)生電勢差，進而形成內(nèi)部電流，這一部分電流會在電池內(nèi)部消耗掉，減小了電池 輸出功率；另外，內(nèi)部電流的產(chǎn)生也是電池內(nèi)部的溫度升高的重要原因，而電池內(nèi)部溫度升 高又使得聚光太陽電池組件的效率下降。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術問題是提供一種既具有較高的透過率又能夠保證聚光后光 斑能量分布較為均勻的聚光透鏡，并提供一種使用該聚光透鏡的復眼式透鏡聚光器。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是一種聚光透鏡，該透鏡為一塊可將 相互平行的入射光線折射到一個位于該透鏡外側的接收面上進而形成光斑的凸透鏡，若設 其中任意一條入射光線和所述透鏡的接觸點與該透鏡光軸之間的垂直距離為X，該入射光 線經(jīng)透鏡折射到所述接收面上后形成的投影點與所述光斑中心的垂直距離為m，并且 透鏡的半徑為a，所述光斑的半徑為b，則該透鏡滿足以下條件，即X/m = a/b。
作為上述技術方案的優(yōu)選方案，該透鏡具有以其光軸為旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)凸面以及與 該旋轉(zhuǎn)凸面相對的端平面，該旋轉(zhuǎn)凸面與任意一個通過該透鏡光軸的縱截面的交線為一條 可使該縱截面上沿透鏡徑向分布并與其光軸平行的入射光線折射到所述接收面上形成投 影直線的曲線，將該曲線反映在其所在縱截面上并以所述端平面的中心點為坐標原點的平 面坐標系中的曲線方程為其中，系數(shù)h為所述端平面與接收面之間的直線距離；系數(shù)a為所述透鏡的半徑； 系數(shù)b為所述投影直線的長；系數(shù)η為透鏡折射率；變量χ為所述曲線上任意一點與透鏡光 軸之間的橫向距離，變量y為該點與端平面之間的縱向距離。必須指出，該曲線方程的獲得并不是申請人在現(xiàn)有技術的啟示下進行有限次實驗 就能夠得到的。實際上，該曲線方程的獲得是基于申請人創(chuàng)造性的認識到，要使聚光后光斑 能量分布均勻的一個較好辦法，是通過透鏡的旋轉(zhuǎn)凸面將光線等比例壓縮到接收面上。也 就是說，當入射光線經(jīng)過所述曲線上的任意一點折射到接收面上以后，該點在曲線方程上 的橫坐標χ與接收面上的投影點距透鏡光軸的橫向間距m之間的比值，應該等于所述透鏡 的半徑a與所述投影直線半長b之間的比值，即X/m = a/b。根據(jù)已知的透鏡折射規(guī)律并結 合上面的等式，可得到下面一組方程x/m = a/b..........................(1)sin( θ ) = nsin(^ ).................(2)x-m = (h-y) tan ( β - θ )..............(3)其中，變量“ θ ”和“ β ”分別表示光線經(jīng)過所述曲線時的入射角大小和折射角大 小。其余系數(shù)及變量的含義均已在上面進行了解釋。在上述方程組的基礎上，經(jīng)數(shù)學推導 可得到上述曲線方程。該曲線方程所決定的旋轉(zhuǎn)凸面的形狀完全能夠在產(chǎn)業(yè)上得以實現(xiàn)。由于現(xiàn)有透鏡 通常采用模壓的方式成型，成型后旋轉(zhuǎn)凸面的形狀通過成型模具來控制。在模具設計過程 中，只要將上述曲線方程輸入模具設計軟件，即能夠生成曲線再旋轉(zhuǎn)形成旋轉(zhuǎn)凸面的理論 數(shù)模；在模具制造過程中通過數(shù)控機床就能夠加工出相應的模具型腔。申請人:還需要指出的是，上面所公開的具有所述特殊曲線方程的聚光透鏡僅僅是 本發(fā)明所要保護的聚光透鏡中的一個實例而已。實際上，這個具有所述特殊曲線方程的聚 光透鏡是一個平凸透鏡，因此與該透鏡光軸平行的入射光線僅由該透鏡的旋轉(zhuǎn)凸面進行一 次折射，故任意一條入射光線和所述透鏡的接觸點與光軸之間的垂直距離就是該入射光線 經(jīng)過所述曲線上的其中一點在曲線方程上的橫坐標X;這些平行的入射光線經(jīng)該透鏡折射
權利要求
一種聚光透鏡，該透鏡為一塊可將相互平行的入射光線(3)折射到一個位于該透鏡外側的接收面(4)上進而形成光斑的凸透鏡，其特征在于若設其中任意一條入射光線(3)和所述透鏡的接觸點與該透鏡光軸(103)之間的垂直距離為x，該入射光線(3)經(jīng)透鏡折射到所述接收面(4)上后形成的投影點與所述光斑中心的垂直距離為m，并且該透鏡的半徑為a，所述光斑的半徑為b，則該透鏡滿足以下條件，即x/m＝a/b。
2.如權利要求1所述的聚光透鏡，其特征在于該透鏡具有以其光軸(103)為旋轉(zhuǎn)軸 的旋轉(zhuǎn)凸面(101)以及與該旋轉(zhuǎn)凸面(101)相對的端平面(102)，該旋轉(zhuǎn)凸面(101)與任 意一個通過該透鏡光軸(103)的縱截面(2)的交線為一條可使該縱截面(2)上沿透鏡徑向 分布并與其光軸(103)平行的入射光線(3)折射到所述接收面(4)上形成投影直線的曲線 (104)，將該曲線(104)反映在其所在縱截面(2)上以所述端平面(102)的中心點為坐標原 點(A)的平面坐標系中的曲線方程為
3.如權利要求2所述的聚光透鏡，其特征在于該透鏡的周邊被截成具有至少三個柱 面(105)的多邊形結構。
4.如權利要求3所述的聚光透鏡，其特征在于該透鏡的周邊被截成具有四個柱面 (105)的四邊形結構，其中相鄰柱面(105)之間相互垂直。
5.復眼式透鏡聚光器，包括多塊平面陣列的聚光透鏡(1)，所述各透鏡為一塊可將相 互平行的入射光線(3)折射到一個位于該透鏡外側的接收面(4)上進而形成光斑的凸透 鏡，其特征在于若設其中任意一條入射光線(3)和所述透鏡的接觸點與該透鏡光軸(103) 之間的垂直距離為X，該入射光線(3)經(jīng)透鏡折射到所述接收面(4)上后形成的投影點與所 述光斑中心的垂直距離為m，并且該透鏡的半徑為a，所述光斑的半徑為b，則該透鏡滿足以 下條件，即x/m = a/b。
6.如權利要求5所述的復眼式透鏡聚光器，其特征在于所述各聚光透鏡(1)具有以 透鏡光軸(103)為旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)凸面(101)以及與該旋轉(zhuǎn)凸面(101)相對的端平面(102)， 該旋轉(zhuǎn)凸面(101)與任意一個通過該透鏡光軸(103)的縱截面(2)的交線為一條可使該縱 截面(2)上沿透鏡徑向分布并與其光軸(103)平行的入射光線(3)折射到所述接收面(4) 上形成投影直線的曲線(104)，將該曲線(104)反映在其所在縱截面(2)上并以所述端平面 (102)的中心點為坐標原點(A)的平面坐標系中的曲線方程為
7.如權利要求6所述的復眼式透鏡聚光器，其特征在于各聚光透鏡(1)的周邊被截 成具有至少三個柱面(105)的多邊形結構；該復眼式透鏡聚光器中任意相鄰聚光透鏡(1) 之間通過兩透鏡相對的柱面(105)粘接。
8.如權利要求7所述的復眼式透鏡聚光器，其特征在于各聚光透鏡(1)的周邊被截 成具有四個柱面(105)的四邊形結構，其中相鄰柱面(105)之間相互垂直；該復眼式透鏡聚 光器中任意相鄰聚光透鏡(1)之間通過兩透鏡相對的柱面(105)粘接進而使該復眼式透鏡 聚光器中的各聚光透鏡(1)呈矩形陣列。
9.復眼式聚光太陽電池組件，該組件是由復眼式透鏡聚光器(5)和安裝有多片光伏電 池晶片(7)的電路板(6)封裝而成的一個箱型結構，所述復眼式透鏡聚光器(5)具有多塊 平面陣列的聚光透鏡(1)，這些聚光透鏡(1)均為一塊可將相互平行的入射光線(3)折射 到一個位于該透鏡外側的接收面(4)上進而形成光斑的凸透鏡，其特征在于若設其中任 意一條入射光線(3)和所述透鏡的接觸點與該透鏡光軸(103)之間的垂直距離為X，該入 射光線(3)經(jīng)透鏡折射到所述接收面(4)上后形成的投影點與所述光斑中心的垂直距離為 m，并且該透鏡的半徑為a，所述光斑的半徑為b，則該透鏡滿足以下條件，即X/m = a/b。
10.如權利要求9所述的復眼式聚光太陽電池組件，其特征在于所述各聚光透鏡(1) 具有以透鏡光軸(103)為旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)凸面(101)以及與該旋轉(zhuǎn)凸面(101)相對的端平面 (102)，該旋轉(zhuǎn)凸面(101)與任意一個通過該透鏡光軸(103)的縱截面(2)的交線為一條可 使該縱截面(2)上沿透鏡徑向分布并與其光軸(103)平行的入射光線(3)折射到所述接收 面⑷上形成投影直線的曲線(104)，將該曲線(104)反映在其所在縱截面(2)上并以所述 端平面(102)的中心點為坐標原點(A)的平面坐標系中的曲線方程為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種既具有較高的透過率又能夠保證聚光后光斑能量分布更為均勻的聚光透鏡，以及使用該聚光透鏡的復眼式透鏡聚光器和復眼式聚光太陽電池組件。該透鏡為一塊可將相互平行的入射光線折射到一個位于該透鏡外側的接收面上進而形成光斑的凸透鏡，若設其中任意一條入射光線和所述透鏡的接觸點與該透鏡光軸之間的垂直距離為x，該入射光線經(jīng)透鏡折射到所述接收面上后形成的投影點與所述光斑中心的垂直距離為m，并且該透鏡的半徑為a，所述光斑的半徑為b，則該透鏡滿足以下條件，即x/m＝a/b。該聚光透鏡的透過率高達90％～93％，并且通過該聚光透鏡聚光后光斑能量分布曲線近似為“馬鞍”形。
文檔編號H02N6/00GK101943765SQ201010264040
公開日2011年1月12日 申請日期2010年8月27日 優(yōu)先權日2010年8月27日
發(fā)明者劉漢, 李向陽, 李少春, 黃忠 申請人:成都鐘順科技發(fā)展有限公司