离轴非旋转对称叠加光斑聚光菲涅尔透镜及其制备方法与流程

本发明属于聚光透镜技术领域，具体涉及一种应用于聚光光伏发电系统离轴非旋转对称叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜及其制备方法。

背景技术：

光伏发电是太阳能直接利用的一种主要形式，菲涅尔透镜是聚光光伏系统的核心组件之一，其性能的好坏直接影响着整个系统的性能，传统的点聚光菲涅尔透镜由于聚光光斑的能量分布不均匀，入射太阳光经聚光之后在电池表面形成局部热点，局部热点的存在一方面会降低电池转换效率，另一方面会损伤电池，缩短电池使用寿命，导致太阳能光伏发电系统的光电转换效率低。另外，传统的点聚光菲涅尔透镜的聚焦光斑与太阳能电池片的形状不匹配，也使得太阳能的利用效率普遍偏低。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供了一种应用于聚光光伏发电系统的离轴非旋转对称叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜。该离轴非旋转对称叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜不但聚光均匀性高，而且聚集光斑形状为方形与太阳能电池片形状匹配性好，可以有效地提高太阳能光伏发电的效率。

本发明采用以下技术方案：

离轴非旋转对称叠加光斑聚光菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜由四个等腰直角三角形单元拼接构成，四个所述等腰直角三角形单元沿坐标轴对称分布，每个所述等腰直角三角形单元上刻录有环带，所述环带采用离轴非旋转对称方式布置。

进一步的，所述环带从所述等腰直角三角形单元的直角开始刻录。

进一步的，所述等腰直角三角形单元的斜边为第一边，两直角边分别为第二边和第三边，四个所述等腰直角三角形单元的第一边首尾相连组成所述菲涅尔透镜的方形透镜面。

进一步的，每个所述等腰直角三角形单元上均设置有聚焦轴，光线分别通过四个所述等腰直角三角形单元的聚焦轴叠加形成光斑。

进一步的，所述叠加具体为：当光线a、b(或者光线c、d)相交时，四个象限产生的所述光斑完全重叠，全部光线均从所述方形透镜面内通过，在焦距f之前所述光斑尺寸逐渐减小，在焦距f位置处所述光斑尺寸达到最小值，在焦距f后所述光斑开始发散，其中，光线a和c为入射光束经所述菲涅尔透镜第一象限折射之后的边缘光线，光线b和d为所述菲涅尔透镜第三象限对应的边缘光线。

一种离轴非旋转对称叠加光斑聚光菲涅尔透镜的制备方法，包括以下步骤：

S1：首先根据太阳能电池片的大小确定方形透镜边长L、焦距f、焦斑边长L₀和透镜环带齿宽w参数；

S2：根据离轴非旋转对称叠加原理，利用步骤S1得到的参数分别计算相应的透镜光轴坐标偏移量S以及透镜离轴聚焦焦距F，具体如下：

S3：根据公式得出环带数N，根据公式得出环带曲率半径r_j，根据公式得出环带倾角α_j，根据公式d_j＝w·tgα_j得出锯齿高度d_j，其中，j＝1、2、3…N，n为透镜材料的折射率，根据以上参数制备所述菲涅尔透镜。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明离轴非旋转对称叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜由四个完全相同的等腰直角三角形单元无缝拼接而成，透镜面中各个环带抛弃了传统菲涅尔透镜固有的同心圆环结构，各个环带采用离轴非旋转对称聚焦设计，具有结构简单、容易实现等优点。

进一步的，所述菲涅尔透镜聚焦光斑为方形，与太阳能电池片的形状相匹配，有效提高了太阳能的利用率；所述菲涅尔透镜具有较高的聚光均匀性，有效避免了传统点聚光菲涅尔透镜聚光不均匀形成的局部热点，提高了太阳能电池的寿命。

本发明还公开了离轴非旋转对称叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜的制备方法，该方法操作简单，易于批量生产，制备的透镜结构简单，成本较低。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

【附图说明】

图1为实施例1离轴非旋转对称叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜的主视图；

图2为实施例1离轴非旋转对称叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜的三维结构图；

图3为实施例1等腰直角三角形单元菲涅尔透镜的主视图；

图4为实施例2离轴非旋转对称叠加法原理示意图；

图5为实施例1聚焦光斑在水平投影面的辐照度分布图；

图6为图5聚焦光斑辐照度分布剖面图。

其中：1.菲涅尔透镜；2.等腰直角三角形单元；3.第一边；4.第二边；5.第三边。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下实施例，凡基于上述发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

本发明所述离轴非旋转对称叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜由四个相同的等腰直角三角形单元2拼接而成。所述等腰直角三角形单元2的透镜面刻录了由小到大的环带，所述等腰直角三角形单元菲涅尔透镜的透镜面中各个环带抛弃了传统菲涅尔透镜固有的同心圆环结构，所述各个环带采用离轴非旋转对称聚焦设计，各个环带的倾角、齿高和曲率半径不尽相同。

所述等腰直角三角形单元2的透镜面包括第一边3、第二边4和第三边5，其中第一边3为所述等腰直角三角形的斜边，第二边4和第四边5为所述等腰直角三角形两腰，第二边4和第四边5的夹角为90°。

所述离轴非旋转对称叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜的透镜面为方形，由四个等腰直角三角形单元菲涅尔透镜的第一边3首尾依次相连拼接而成，所述四个第一边3互成90°，四个等腰直角三角形单元菲涅尔透镜分布完全一致且关于坐标轴对称。

每个所述等腰直角三角形单元2都有一个与之对应的聚焦轴，光线通过四个所述等腰直角三角形单元2组成的菲涅尔透镜后在各自的聚焦轴上形成的四个光斑经过叠加来提高聚光的均匀性。

实施例1

本实施例所述离轴非旋转对称叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜1的主视图如图1所示。它是由四个完全相同的等腰直角三角形单元2(如图3所示)的第一边3首尾依次相连无缝拼接而成；所述四个第一边3互成90°，四个等腰直角三角形单元菲涅尔透镜分布完全一致且关于坐标轴对称。

所述的等腰直角三角形单元2的透镜面刻录了由小到大的环带，所述透镜面包括第一边3、第二边4和第三边5弧边；所述第一边3的两个端点分别与第二边4和第三边5连接。

实施例2

本实施例所述的离轴非旋转对称叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜的叠加过程如图4所示。

由于四个象限环带分布相互对称，以第一、三象限为例进行说明。如图4所示，光线a、c是入射光束经方形透镜第一象限折射之后的边缘光线，光线b、d为方形透镜第三象限对应的边缘光线。由边缘光学原理可知，当光线a、b(或者光线c、d)相交时，四个象限产生的光斑完全重叠，全部光线均从该方形区域内通过，由此即可确定均匀光斑的输出位置焦距f和尺寸L₀。由几何光学知识可知，在焦距f之前光斑尺寸逐渐减小，在焦距f位置处光斑尺寸达到最小值，之后开始发散，为此f为透镜的焦距。

实施例3

本实施例所述的等腰直角三角形单元2的制备过程如下：

S1：首先根据太阳能电池片的大小确定方形透镜边长L、焦距f和焦斑边长L₀、透镜环带齿宽w等参数；

S2：然后根据离轴非旋转对称叠加原理计算出相应的光轴坐标偏移量S以及透镜离轴聚焦焦距F；

S3：最后计算得出环带数N、环带曲率半径r_j、环带倾角α_j以及锯齿高度d_j等菲涅尔透

镜的具体参数，生成实体透镜。

nsinα_j＝sin[α_j+arctg(r^j/F)]；

d_j＝w·tgα_j；

其中，j＝1、2、3…N，n为透镜材料的折射率，根据以上参数制备所述菲涅尔透镜。

从图5可以看出，所述离轴非旋转对称叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜的聚焦光斑形状为方形，与太阳能电池片形状匹配。

从图6可以看出，在(-2,2)mm范围内聚焦光斑辐照度最大值为8×10⁷W/m²，最小值为7×10⁷W/m²，聚光均匀度高达93.3％。