一种聚焦透镜制造技术

本发明专利技术提出一种聚焦透镜。由纵向和横向数量相等的小棱镜依次排列为方形结构，其中，纵向和横向的小棱镜数量为奇数；小棱镜的横截面为方形；在聚焦透镜面向光线的一侧，所有小棱镜的端面位于同一平面内；在聚焦透镜面向太阳能电池的一侧，除位于方形结构中心位置的小棱镜外，其他所有的小棱镜均具有一个斜面；所述斜面的倾斜方向均指向太阳能电池接收面所在位置，从而保证光线经过斜面后到达太阳能电池接收表面。本发明专利技术形成的辐照度均匀性以及聚光比在较宽光谱范围内对入射光的波长变化不敏感。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于太阳能光学
，具体涉及一种在宽光谱范围产生均匀方形光斑 的方形聚焦透镜。
技术介绍
聚焦透镜是聚焦光伏发电系统的重要组成部分之一。以塑料和玻璃为材料的聚焦 透镜，具有高透光性，质量轻，成本低廉以及制造方便等优点。相比价格较高的光伏电池，廉 价的聚焦透镜通过聚焦太阳光，提高太阳能辐照密度，达到减少电池使用面积的目的。由于 聚焦光斑过度集中形成的热斑，导致电池表面局部高温，电池发电效率降低，更为严重的 情况可能导致电池因灼伤而失效，同时也不利于电池散热以及热能的后续利用。聚焦光斑 的形状和均匀性由聚焦透镜的设计结构决定。 目前，国内外设计的折射（包括折射与全内反射结合）聚焦系统按聚光元件的数 目可分为二级聚光系统和一级聚光系统。二级聚光系统主要部件为一级光学元件和二级 光学元件，二级光学元件接收一级光学元件聚焦的集中度较高的太阳辐照，通过二级光学 元件将集中的太阳辐照重新分布成均匀的太阳辐照，最后到达光伏电池表面。二级聚光系 统能够获得均匀度较高的辐照度分布，但是增加了聚光系统的制造成本以及安装难度。一 级聚光系统相对二级聚光系统制造成本低，但是聚焦于电池表面的辐照度均匀性低。文献 I(J. Mendes-Lopes, et. al, 9-fold Fresnel-Kohler concentrator with Fresnel lens of variable focal point, Optics express, 2014)二级光学元件采用9裙皱科勒积分器，每 块褶皱对应一级光学元件的相应部分，通过科勒积分器形成均匀度较高的辐照度分布。文 献2(K. Ryu, et. al, Concept and design of modular Fresnel lenses for concentration solar PV system, Solar energy, 2006)米用方形模块化菲涅尔透镜，通过光斑重叠形成均 匀方形光斑。上述第一种聚焦透镜设计采用二级聚光设计，成本较高，到达接收面的光斑均 匀性较高。第二种聚焦透镜设计采用一级聚光设计，成本低，光斑均匀性相对较低，而且每 个模块小棱镜的尺寸限制了光斑的尺寸，无法形成一厘米级别的光斑。上述二级聚光系统， 一级聚光元件产生的高度集中的太阳辐照可能灼伤二级聚光元件。上述一级聚光设计没有 考虑太阳波长对辐照均匀性和聚光比的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种在宽光谱范围内，形成均匀辐照度分布的方形聚焦透 镜，该聚焦透镜形成的辐照度均匀性以及聚光比在较宽光谱范围内对入射光的波长变化不 敏感。 为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种聚焦透镜，由纵向和横向数量相等的小 棱镜依次排列为方形结构，其中，纵向和横向的小棱镜数量为奇数；小棱镜的横截面为方 形；在聚焦透镜面向光线的一侧，所有小棱镜的端面位于同一平面内；在聚焦透镜面向太 阳能电池的一侧，除位于方形结构中心位置的小棱镜外，其他所有的小棱镜均具有一个斜 面；所述斜面的倾斜方向均指向太阳能电池接收面所在位置，从而保证光线经过斜面后到 达太阳能电池接收表面。 较佳地，位于所述方形结构中心以及对角线上的小棱镜，其横截面为正方形，且由 中心向外，每一小棱镜的边长逐渐增大；方形结构中，除中心以及对角线上的小棱镜外，其 它小棱镜的横截面为长方形，其中，同一列内每个小棱镜的宽度相等，同一行内每个小棱镜 的长度相等。 较佳地，位于方形结构中心的小棱镜，其边长等于太阳能电池接收面的边长；对于 纵向中轴线上的小棱镜，每个小棱镜的宽度等于太阳能电池接收面的边长；对于横向中轴 线上的小棱镜，每个小棱镜在长度等于太阳能电池接收面的边长。 较佳地，纵向中轴线上小棱镜的斜面关于中心小棱镜对称设置，横向中轴线上小 棱镜的斜面关于中心小棱镜对称设置；位于方形结构纵向中轴线上的每个小棱镜以及位于 横向中轴线上的每个小棱镜的棱镜，其棱镜角α以及边长尺寸由迭代公式（1)，（2)和（3) 依次计算获得，【主权项】1. 一种聚焦透镜，其特征在于，由纵向和横向数量相等的小棱镜依次排列为方形结构， 其中，纵向和横向的小棱镜数量为奇数；小棱镜的横截面为方形；在聚焦透镜面向光线的 一侧，所有小棱镜的端面位于同一平面内；在聚焦透镜面向太阳能电池的一侧，除位于方形 结构中心位置的小棱镜外，其他所有的小棱镜均具有一个斜面；所述斜面的倾斜方向均指 向太阳能电池接收面所在位置，从而保证光线经过斜面后到达太阳能电池接收表面。2. 如权利要求1所述聚焦透镜，其特征在于，位于所述方形结构中心以及对角线上的 小棱镜，其横截面为正方形，且由中心向外，每一小棱镜的边长逐渐增大；方形结构中，除中 心以及对角线上的小棱镜外，其它小棱镜的横截面为长方形，其中，同一列内每个小棱镜的 宽度相等，同一行内每个小棱镜的长度相等。3. 如权利要求2所述聚焦透镜，其特征在于，位于方形结构中心的小棱镜，其边长等于 太阳能电池接收面的边长；对于纵向中轴线上的小棱镜，每个小棱镜的宽度等于太阳能电 池接收面的边长；对于横向中轴线上的小棱镜，每个小棱镜在长度等于太阳能电池接收面 的边长。4. 如权利要求2所述聚焦透镜，其特征在于，纵向中轴线上小棱镜的斜面关于中心小 棱镜对称设置，横向中轴线上小棱镜的斜面关于中心小棱镜对称设置；位于方形结构纵向 中轴线上的每个小棱镜以及位于横向中轴线上的每个小棱镜的棱镜，其棱镜角α以及边 长尺寸由迭代公式（1)，（2)和（3)依次计算获得，公式（1)，（2)和（3)中，d为太阳能电池的接收面边长尺寸，f为聚焦透镜焦距，η为 制造聚焦透镜的光学材料对某一波长的折射率，下标i表示由位于中心的小棱镜依次向外 的每个小棱镜的编号，中心小棱镜的编号为0,其他小棱镜的编号，依次向外为1、2、3等等； β为入射光线与小棱镜斜面法线的夹角；β '为入射角β对应的折射角，对于光线垂直于 聚焦透镜面向光线一侧入射的情况，棱镜角α与入射角β值相等，k表示求和号中每项的 序号；1对于纵向中轴线上的小棱镜来说，其表示每个小棱镜的长度，对于横向中轴线上的 小棱镜来说，其表不每个小棱镜的宽度； 对角线上的小棱镜的边长及棱镜角α可由公式（4)、（5)和（6)计算获得，a (i, i) = β (i, i) (5)公式（4)、（5)和（6)中，棱镜角α与入射角β括号中的参数表不小棱镜编号，1\为 中间变量，为简化公式而定义，对角线上小棱镜斜面关于对角线对称； 除中轴线和对角线外，其余小棱镜的棱镜角α由公式（7)、（8)、（9)和（10)计算获得：公式（7)、（8)、（9)和（10)中，棱镜角α与入射角β括号中的参数表不小棱镜编号， 如图所示，l(i，j)为计算棱镜角而定义的变量，γ为小棱镜偏离中轴线的角度，括号内参 数为小棱镜编号。5.如权利要求4所述聚焦透镜，其特征在于，整个聚焦透镜以横向中轴线和纵向中轴 线为界划分为四个部分；中轴线上小棱镜的尺寸和棱镜角按照相同波长计算确定，四个部 分分别按照四个不同的波长确定其小棱镜的尺寸和棱镜角。【专利摘要】本专利技术提出一种聚焦透镜。由纵向和横向数量相等的小棱镜依次排列为方形结构，其中，纵向和横向的小棱镜数量为奇本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚焦透镜，其特征在于，由纵向和横向数量相等的小棱镜依次排列为方形结构，其中，纵向和横向的小棱镜数量为奇数；小棱镜的横截面为方形；在聚焦透镜面向光线的一侧，所有小棱镜的端面位于同一平面内；在聚焦透镜面向太阳能电池的一侧，除位于方形结构中心位置的小棱镜外，其他所有的小棱镜均具有一个斜面；所述斜面的倾斜方向均指向太阳能电池接收面所在位置，从而保证光线经过斜面后到达太阳能电池接收表面。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宣益民，李典鸿，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32