专利名称：聚光透镜、复眼式透镜聚光器及复眼式聚光太阳电池组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及聚光光伏发电技术领域中用于将太阳光汇聚并投射到光伏电池上的 聚光透镜及复眼式透镜聚光器；本发明还涉及一种基于上述聚光透镜和复眼式透镜聚光器 的复眼式聚光太阳电池组件。
背景技术：
聚光光伏发电技术是公认的可降低光伏发电成本的有效途径。目前，一个完整的 聚光光伏发电系统主要包括复眼式聚光太阳电池组件、太阳跟踪器、电能存储或逆变设备 等几部分。复眼式聚光太阳电池组件作为光电转换部件，主要由复眼式透镜聚光器和安装 有光伏电池晶片的电路板所组成。其中，复眼式透镜聚光器包括多块平面阵列的聚光透镜。使用时通过太阳跟踪器 使聚光透镜基本正对阳光照射方向，然后通过这些聚光透镜分别将太阳光汇聚并投射到电 路板上与各个聚光透镜相对应的光伏电池晶片的接收面上，从而使各个光伏电池晶片中产 生电流，这些电流通过电路板上的线路输出。公开号为CN101640502A的发明专利申请文件所公开的聚光太阳电池组件极具代 表性。该电池组件中采用的点聚光菲涅尔透镜已成为业界公认的聚光透镜的最佳选折。仍 有许多公开了采用聚光菲涅尔透镜作聚光透镜的聚光光伏发电技术的参考文献，在此不再 赘述。实际上，采用菲涅尔透镜并非没有缺憾。比如，由于菲涅尔透镜表面纹路的加工缺 陷，会造成一部分入射光线的损失，导致光线透过率仅处于75%左右的较低水平上；而且 这种加工缺陷又是以目前的加工技术所难以克服的。又如，菲涅尔透镜可看成由多个同光 轴凸透镜的组合，故其聚光后光斑能量分布不够均勻。采用普遍使用的球面凸透镜替代菲涅尔透镜可解决光线透过率较低的问题。然 而，球面凸透镜只能将光线集中于该透镜的焦点，因此无论将光伏电池晶片安装在其焦点 略靠前或靠后的位置，都会造成电池晶片接收面的中心与周边的光斑能量分布不均，致使 电池内部产生电势差，进而形成内部电流，这一部分电流会在电池内部消耗掉，减小了电池 输出功率；另外，内部电流的产生也是电池内部的温度升高的重要原因，而电池内部温度升 高又使得聚光太阳电池组件的效率下降。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种既具有较高的透过率又能够保证聚光后光 斑能量分布较为均勻的聚光透镜，并提供一种使用该聚光透镜的复眼式透镜聚光器。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种聚光透镜，该透镜为一块可将 相互平行的入射光线折射到一个位于该透镜外侧的接收面上进而形成光斑的凸透镜，若设 其中任意一条入射光线和所述透镜的接触点与该透镜光轴之间的垂直距离为X，该入射光 线经透镜折射到所述接收面上后形成的投影点与所述光斑中心的垂直距离为m，并且 透镜的半径为a，所述光斑的半径为b，则该透镜满足以下条件，即X/m = a/b。
作为上述技术方案的优选方案，该透镜具有以其光轴为旋转轴的旋转凸面以及与 该旋转凸面相对的端平面，该旋转凸面与任意一个通过该透镜光轴的纵截面的交线为一条 可使该纵截面上沿透镜径向分布并与其光轴平行的入射光线折射到所述接收面上形成投 影直线的曲线，将该曲线反映在其所在纵截面上并以所述端平面的中心点为坐标原点的平 面坐标系中的曲线方程为其中，系数h为所述端平面与接收面之间的直线距离；系数a为所述透镜的半径； 系数b为所述投影直线的长；系数η为透镜折射率；变量χ为所述曲线上任意一点与透镜光 轴之间的横向距离，变量y为该点与端平面之间的纵向距离。必须指出，该曲线方程的获得并不是申请人在现有技术的启示下进行有限次实验 就能够得到的。实际上，该曲线方程的获得是基于申请人创造性的认识到，要使聚光后光斑 能量分布均勻的一个较好办法，是通过透镜的旋转凸面将光线等比例压缩到接收面上。也 就是说，当入射光线经过所述曲线上的任意一点折射到接收面上以后，该点在曲线方程上 的横坐标χ与接收面上的投影点距透镜光轴的横向间距m之间的比值，应该等于所述透镜 的半径a与所述投影直线半长b之间的比值，即X/m = a/b。根据已知的透镜折射规律并结 合上面的等式，可得到下面一组方程x/m = a/b..........................(1)sin( θ ) = nsin(^ ).................(2)x-m = (h-y) tan ( β - θ )..............(3)其中，变量“ θ ”和“ β ”分别表示光线经过所述曲线时的入射角大小和折射角大 小。其余系数及变量的含义均已在上面进行了解释。在上述方程组的基础上，经数学推导 可得到上述曲线方程。该曲线方程所决定的旋转凸面的形状完全能够在产业上得以实现。由于现有透镜 通常采用模压的方式成型，成型后旋转凸面的形状通过成型模具来控制。在模具设计过程 中，只要将上述曲线方程输入模具设计软件，即能够生成曲线再旋转形成旋转凸面的理论 数模；在模具制造过程中通过数控机床就能够加工出相应的模具型腔。申请人:还需要指出的是，上面所公开的具有所述特殊曲线方程的聚光透镜仅仅是 本发明所要保护的聚光透镜中的一个实例而已。实际上，这个具有所述特殊曲线方程的聚 光透镜是一个平凸透镜，因此与该透镜光轴平行的入射光线仅由该透镜的旋转凸面进行一 次折射，故任意一条入射光线和所述透镜的接触点与光轴之间的垂直距离就是该入射光线 经过所述曲线上的其中一点在曲线方程上的横坐标X;这些平行的入射光线经该透镜折射
权利要求
一种聚光透镜，该透镜为一块可将相互平行的入射光线(3)折射到一个位于该透镜外侧的接收面(4)上进而形成光斑的凸透镜，其特征在于若设其中任意一条入射光线(3)和所述透镜的接触点与该透镜光轴(103)之间的垂直距离为x，该入射光线(3)经透镜折射到所述接收面(4)上后形成的投影点与所述光斑中心的垂直距离为m，并且该透镜的半径为a，所述光斑的半径为b，则该透镜满足以下条件，即x/m＝a/b。
2.如权利要求1所述的聚光透镜，其特征在于该透镜具有以其光轴(103)为旋转轴 的旋转凸面(101)以及与该旋转凸面(101)相对的端平面(102)，该旋转凸面(101)与任 意一个通过该透镜光轴(103)的纵截面(2)的交线为一条可使该纵截面(2)上沿透镜径向 分布并与其光轴(103)平行的入射光线(3)折射到所述接收面(4)上形成投影直线的曲线 (104)，将该曲线(104)反映在其所在纵截面(2)上以所述端平面(102)的中心点为坐标原 点(A)的平面坐标系中的曲线方程为
3.如权利要求2所述的聚光透镜，其特征在于该透镜的周边被截成具有至少三个柱 面(105)的多边形结构。
4.如权利要求3所述的聚光透镜，其特征在于该透镜的周边被截成具有四个柱面 (105)的四边形结构，其中相邻柱面(105)之间相互垂直。
5.复眼式透镜聚光器，包括多块平面阵列的聚光透镜(1)，所述各透镜为一块可将相 互平行的入射光线(3)折射到一个位于该透镜外侧的接收面(4)上进而形成光斑的凸透 镜，其特征在于若设其中任意一条入射光线(3)和所述透镜的接触点与该透镜光轴(103) 之间的垂直距离为X，该入射光线(3)经透镜折射到所述接收面(4)上后形成的投影点与所 述光斑中心的垂直距离为m，并且该透镜的半径为a，所述光斑的半径为b，则该透镜满足以 下条件，即x/m = a/b。
6.如权利要求5所述的复眼式透镜聚光器，其特征在于所述各聚光透镜(1)具有以 透镜光轴(103)为旋转轴的旋转凸面(101)以及与该旋转凸面(101)相对的端平面(102)， 该旋转凸面(101)与任意一个通过该透镜光轴(103)的纵截面(2)的交线为一条可使该纵 截面(2)上沿透镜径向分布并与其光轴(103)平行的入射光线(3)折射到所述接收面(4) 上形成投影直线的曲线(104)，将该曲线(104)反映在其所在纵截面(2)上并以所述端平面 (102)的中心点为坐标原点(A)的平面坐标系中的曲线方程为
7.如权利要求6所述的复眼式透镜聚光器，其特征在于各聚光透镜(1)的周边被截 成具有至少三个柱面(105)的多边形结构；该复眼式透镜聚光器中任意相邻聚光透镜(1) 之间通过两透镜相对的柱面(105)粘接。
8.如权利要求7所述的复眼式透镜聚光器，其特征在于各聚光透镜(1)的周边被截 成具有四个柱面(105)的四边形结构，其中相邻柱面(105)之间相互垂直；该复眼式透镜聚 光器中任意相邻聚光透镜(1)之间通过两透镜相对的柱面(105)粘接进而使该复眼式透镜 聚光器中的各聚光透镜(1)呈矩形阵列。
9.复眼式聚光太阳电池组件，该组件是由复眼式透镜聚光器(5)和安装有多片光伏电 池晶片(7)的电路板(6)封装而成的一个箱型结构，所述复眼式透镜聚光器(5)具有多块 平面阵列的聚光透镜(1)，这些聚光透镜(1)均为一块可将相互平行的入射光线(3)折射 到一个位于该透镜外侧的接收面(4)上进而形成光斑的凸透镜，其特征在于若设其中任 意一条入射光线(3)和所述透镜的接触点与该透镜光轴(103)之间的垂直距离为X，该入 射光线(3)经透镜折射到所述接收面(4)上后形成的投影点与所述光斑中心的垂直距离为 m，并且该透镜的半径为a，所述光斑的半径为b，则该透镜满足以下条件，即X/m = a/b。
10.如权利要求9所述的复眼式聚光太阳电池组件，其特征在于所述各聚光透镜(1) 具有以透镜光轴(103)为旋转轴的旋转凸面(101)以及与该旋转凸面(101)相对的端平面 (102)，该旋转凸面(101)与任意一个通过该透镜光轴(103)的纵截面(2)的交线为一条可 使该纵截面(2)上沿透镜径向分布并与其光轴(103)平行的入射光线(3)折射到所述接收 面⑷上形成投影直线的曲线(104)，将该曲线(104)反映在其所在纵截面(2)上并以所述 端平面(102)的中心点为坐标原点(A)的平面坐标系中的曲线方程为
全文摘要
本发明公开了一种既具有较高的透过率又能够保证聚光后光斑能量分布更为均匀的聚光透镜，以及使用该聚光透镜的复眼式透镜聚光器和复眼式聚光太阳电池组件。该透镜为一块可将相互平行的入射光线折射到一个位于该透镜外侧的接收面上进而形成光斑的凸透镜，若设其中任意一条入射光线和所述透镜的接触点与该透镜光轴之间的垂直距离为x，该入射光线经透镜折射到所述接收面上后形成的投影点与所述光斑中心的垂直距离为m，并且该透镜的半径为a，所述光斑的半径为b，则该透镜满足以下条件，即x/m＝a/b。该聚光透镜的透过率高达90％～93％，并且通过该聚光透镜聚光后光斑能量分布曲线近似为“马鞍”形。
文档编号H02N6/00GK101943765SQ201010264040
公开日2011年1月12日 申请日期2010年8月27日 优先权日2010年8月27日
发明者刘汉, 李向阳, 李少春, 黄忠 申请人:成都钟顺科技发展有限公司