專利名稱：聚光裝置及其設計方法、聚光光伏發(fā)電裝置的制作方法
聚光裝置及其設計方法、聚光光伏發(fā)電裝置
技術領域：
本發(fā)明涉及一種聚光裝置及其設計方法，以及使用該聚光裝置的聚光光伏發(fā)電裝置。
背景技術：
光能作為地球上最為豐富的可再生能源，日益受到世界上各個國家的重視。然而 到目前為止，光能光伏技術并未像人們預想的那樣得到廣泛地應用。究其原因，主要是因為 光伏系統(tǒng)成本過高。目前降低光伏系統(tǒng)成本的有效途徑之一，是在光伏發(fā)電裝置中增加成本相對較低 的聚光器件以形成聚光光伏發(fā)電裝置。現(xiàn)有技術聚光光伏發(fā)電裝置包括一聚光透鏡、一勻 光棱鏡和一光伏電池，該聚光透鏡、該勻光棱鏡和該光伏電池從上至下依次設置。該聚光透 鏡接收外部射入的太陽光線，并將太陽光線會聚到該勻光棱鏡內(nèi)，該勻光棱鏡將進入其內(nèi) 部的太陽光線進行多次反射后，照射到光伏電池的表面，該光伏電池將光能轉換為電能。然而，現(xiàn)有技術聚光光伏發(fā)電裝置存在諸多缺陷，首先，由于光線需要在勻光棱鏡 內(nèi)進行多次反射后才照射到光伏電池的表面上，造成到達光伏電池的光能損失較大，并且 使得照射到光伏電池表面的光線照度不均勻，從而降低了光伏電池的光電轉換效率；其次， 為了使得射入到勻光棱鏡內(nèi)的光線發(fā)生全反射，則照射到勻光棱鏡的照射角度限定在一個 較小的范圍，從而造成其應用范圍較為有限。此外，需要設置勻光棱鏡的位置及其與菲涅爾 聚光鏡之間所成的角度，使得光線以特定的角度射入到勻光棱鏡內(nèi)發(fā)生全反射，由此造成 整個系統(tǒng)的組裝調(diào)試較為復雜，同時也增大了系統(tǒng)機械不穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有技術聚光光伏發(fā)電裝置的光電轉換效率低以及應用范圍較為有限 的技術問題，本發(fā)明提供一種光電轉換效率高以及應用范圍較為廣泛的聚光光伏發(fā)電裝置。本發(fā)明提供一種聚光裝置，其包括一用來將外部光線會聚的聚焦透鏡，其中，該聚 光裝置進一步包括一二次透鏡，該聚焦透鏡和該二次透鏡從上至下依序設置，該二次透鏡 包括一位于其頂部的第一光學面和一位于其底部中間位置的第二光學面，該第一光學面設 置在該聚焦透鏡的焦平面上，該第一光學面將由聚焦透鏡射來的光線會聚到該第二光學 面，該第二光學面將接收的光線透射到外部。所述的二次透鏡進一步包括一底面和一外側面，該外側面與該第一光學面相接， 該底面與該外側面相接，該第二光學面位于該底面的中間位置。所述的二次透鏡進一步包括一底面、一外側面、一全反射面和一內(nèi)側面，該外側面 與該第一光學面相接，該底面與該外側面相接，該底面為環(huán)行面，該內(nèi)側面與該全反射面、 該底面都相接，該第二光學面和該全反射面成倒圓錐體結構，該全反射面為倒圓錐體的側
所述的二次透鏡進一步包括一外側面、一第一環(huán)形面、一第二環(huán)形面、一全反射面 和一內(nèi)側面，該外側面與該第一光學面相接，該第一環(huán)形面與該外側面的底部和該內(nèi)側面 的底部都相接，該第二環(huán)形面與該內(nèi)側面的頂部和該全反射面的頂部都相接，該第二光學 面和該全反射面成倒圓錐體結構，該全反射面為倒圓錐體的側面。所述的聚焦透鏡為菲涅爾透鏡。在沿該菲涅爾透鏡和該二次透鏡的縱截面方向的二維坐標系里，該菲涅爾透鏡的 下表面包括多個鋸齒和多個端點，每一鋸齒都是由一豎直線和一曲線構成，每一曲線都是 以該菲涅爾透鏡的焦點為一焦點，并且過一端點的雙曲線。所述的菲涅爾透鏡的每個鋸齒為相同的齒深或相同的齒寬。在沿該菲涅爾透鏡和該二次透鏡的縱截面方向的二維坐標系里，該第一光學面的 面型曲線是以該菲涅耳透鏡的邊緣左端點和該第二光學面的右端點為焦點，且過該菲涅爾 透鏡的焦點的笛卡爾卵形線。本發(fā)明還提供一種聚光光伏發(fā)電裝置，其包括一聚光裝置和一光伏電池，該聚光 裝置包括一用來將外部光線會聚的聚焦透鏡，該光伏電池用來接收光線并將光能轉換為電 能，其中，該聚光裝置進一步包括一用來勻光的二次透鏡，該聚焦透鏡和該二次透鏡從上至 下依序設置，該二次透鏡包括一位于其頂部的第一光學面和一位于其底部中間位置的第二 光學面，該第一光學面設置在該聚焦透鏡的焦平面上，該光伏電池設置在該第一光學面的 焦平面上，該第一光學面將聚焦透鏡射來的光線會聚到該第二光學面，并通過該第二光學 面透射到該光伏電池上。所述的聚光光伏發(fā)電裝置還包括一封裝裝置和一跟蹤裝置，該封裝裝置用來將該 聚光裝置和該光伏電池封裝在一起，該封裝裝置固定安裝在該跟蹤裝置上，該跟蹤裝置根 據(jù)不同時刻太陽的位置調(diào)整該封裝裝置的位置和角度。本發(fā)明還提供了一種聚光裝置的設計方法，包括如下設計步驟步驟i 確定二次透鏡的第一光學面在沿菲涅耳透鏡和二次透鏡的縱截面方向的 二維坐標系中的面型曲線方程；步驟ii 將二次透鏡的面型曲線繞該二維坐標系的縱軸旋轉，得到二次透鏡的三 維結構。所述的設計方法在該步驟i之前還包括如下設計步驟步驟iii 確定菲涅耳透鏡的入射角、高寬比、口徑，以及二次透鏡的第二光學面 的口徑。所述的設計方法在該步驟i之后還包括如下設計步驟步驟iv 根據(jù)光線追跡原理，確定二次透鏡的第一光學面的口徑和外側面的高度。所述的設計方法在該步驟iv之后還包括一步驟V，該步驟ν具體為根據(jù)步驟iv 的結果，使得光線與二次透鏡的第一光學面的交點在該二維坐標系的橫軸的負半軸區(qū)間 內(nèi)，如果滿足該條件，則進行步驟ii ；如果不滿足該條件，則改變菲涅耳透鏡的高寬比，并 返回步驟iii、步驟i、步驟iv。所述的設計方法在該步驟iv或者步驟ν之后還包括一步驟vi，步驟Vi為確定 二次透鏡的全反射面、第一環(huán)形面、第二環(huán)形面和內(nèi)側面的口徑，
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所述的設計方法還包括一步驟vii，步驟Vii為確定菲涅耳透鏡的下表面的每一 鋸齒在沿菲涅耳透鏡和二次透鏡的縱截面方向的二維坐標系中的面型曲線方程；所述的設計方法在該步驟vii之后還包括一步驟viii，步驟Viii為確定菲涅爾 透鏡的上部的厚度和每個鋸齒的豎直線的長度，并將菲涅耳透鏡的面型曲線繞該二維坐標 系的縱軸旋轉，得到菲涅耳透鏡的三維結構。相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明所述的聚光裝置及其設計方法、聚光光伏發(fā)電裝置的主 要有益效果在于(1).所述的聚光裝置的二次透鏡具有自上至下依序設置的第一光學面和第二光 學面，所述的聚焦透鏡射來的光線通過第一光學面和第二光學面透射后，即均勻的會聚到 光伏電池表面的各個位置，其減少了到達光伏電池表面的光能損失，并且使得照射到光伏 電池表面的光線照度均勻，提高了光伏電池的光電轉換效率。(2).所述的聚光裝置的二次透鏡的第一光學面和第二光學面可以根據(jù)使用的需 要設定為任意尺寸，所以使得其應用范圍廣泛，可以應用多個不同領域。(3).實現(xiàn)均勻聚光的第一光學面和第二光學面為設置在二次透鏡上的一體結構， 并且不需要調(diào)整二次透鏡與聚焦透鏡的角度關系，使得整個系統(tǒng)的組裝和調(diào)試都較為方 便，同時也提高了系統(tǒng)的機械穩(wěn)定性。

圖1是本發(fā)明聚光光伏發(fā)電裝置實施例1的聚焦透鏡和二次透鏡沿縱截面方向的 剖面示意圖。圖2是本發(fā)明聚光光伏發(fā)電裝置實施例1的二次透鏡沿縱截面方向的剖面放大示 意圖。圖3是本發(fā)明聚光光伏發(fā)電裝置實施例4的聚光裝置設計方法的步驟示意圖。圖4是本發(fā)明聚光光伏發(fā)電裝置實施例4的聚焦透鏡和二次透鏡沿縱截面方向的 剖面示意圖。
具體實施方式
實施例1一種聚光光伏發(fā)電裝置，其包括一聚光裝置、一光伏電池、一散熱裝置、一封裝裝 置和一跟蹤裝置。該聚光裝置、該光伏電池和該散熱裝置從上至下依次設置。該聚光裝置 用來將太陽光線會聚到該光伏電池上。該光伏電池用來接收聚光裝置發(fā)出的光線，并將光 能轉換為電能。該封裝裝置用來將該聚光裝置、該光伏電池和該散熱裝置封裝在一起。該 封裝裝置固定安裝在該跟蹤裝置上，該跟蹤裝置根據(jù)不同時刻太陽的位置調(diào)整該封裝裝置 的位置和角度。如圖1所示，該聚光裝置包括一聚焦透鏡10和一二次透鏡20。該二次透鏡20設 置在該聚焦透鏡10的焦平面的位置，該光伏電池與該二次透鏡20的底部接觸。該菲涅耳 透鏡10用來將外部光線會聚到二次透鏡上，該二次透鏡用來將菲涅耳透鏡射出的光線均 勻會聚到光伏電池上。該聚焦透鏡的下表面包括多個同心環(huán)形凹槽。在沿該聚焦透鏡10和該二次透鏡20的縱截面方向，設定以平行于該二次透鏡20的底面的平面為坐標橫軸y，以垂直于該二次透鏡20的底面的中心位置為坐標縱軸ζ建立 二維坐標系，該聚焦透鏡10的下表面包括多個鋸齒12和多個端點14。每一鋸齒12都是由 一豎直線和一曲線構成，每一曲線都是以該菲涅爾透鏡的焦點為一焦點，并且過一端點14 的雙曲線，如第一鋸齒的曲線過第一端點A1，第二鋸齒的曲線過第二端點A2,……，第η鋸 齒的曲線過第η端點An，其中η為自然數(shù)。根據(jù)實際操作的需要，可以設計各個鋸齒具有相 同的齒深或相同的齒寬，進而可以確定各個鋸齒的端點An(Any，Anz)的兩個坐標值中的一個。 確定第一端點A1的坐標值以后，各個齒的面型曲線方程便確定了。如圖2所示，該二次透鏡20包括一第一光學面21、一第二光學面22、一全反射面 23、一第一環(huán)形面M、一第二環(huán)形面25、一外側面沈和一內(nèi)側面27。該第一光學面21為一 曲面，其位于該二次透鏡20的頂部，該第二光學面22和該第一環(huán)形面M都位于該二次透 鏡20的底部。該第二光學面22的尺寸與該光伏電池的尺寸相同。該第一環(huán)形面M位于 該二次透鏡20的底部，并且與該外側面沈的底部和該內(nèi)側面27的底部都相接。該第二光 學面22和該全反射面23成倒圓錐體結構，其中，該第二光學面22為倒圓錐體的底面，該全 反射面23為倒圓錐體的側面。該第二環(huán)形面25位于該內(nèi)側面27的頂部與該全反射面23 得頂部之間，并且與該內(nèi)側面27的頂部相接。在沿該聚焦透鏡10和該二次透鏡20的縱截面方向的二維坐標系里，該第一光學 面21的面型曲線是以該菲涅耳透鏡10的邊緣左端點(未標示)和該光伏電池右端點(未 標示)為焦點，且過該聚焦透鏡10的焦點(未標示)的笛卡爾卵形線。該第一環(huán)形面M、該第二環(huán)形面25、該外側面沈和該內(nèi)側面27為非光學面。其 中，設定該第二光學面22與該全反射面23的之間的夾角為α，第二光學面21的口徑為d， 該全反射面23的高度為f，該第二環(huán)形面25的外口徑、內(nèi)口徑和寬度分別為c、g和e，則該
第二環(huán)形面25的內(nèi)口徑滿足關系式ρ · ,“1 ·，該第二環(huán)形面25的寬度為e =
c_g。該第一環(huán)形面Μ、該第二環(huán)形面25、該外側面沈和該內(nèi)側面27都為非光學面。該夾 角α取值范圍因具體設計而定，為了使得不能到達光伏電池的光線盡可能在該全反射面 23上發(fā)生全反射，該夾角α設定為40度至70度。該光伏電池包括光伏電池板(圖未示)和外接電路(圖未示)。該光伏電池板設 置在該二次透鏡20的第一光學面21的焦平面上并與其第二光學面22接觸，用來接收該二 次透鏡20的第二光學面21射出的光線，并將光能轉換為電能。該外接電路用來將電能輸 出到外部蓄電設備。該散熱裝置設置在該光伏電池板的下表面，以避免光伏電池因長時間 照射產(chǎn)生過多熱量造成系統(tǒng)的光電效應的效率降低。實施例2本發(fā)明所述的聚光光伏發(fā)電裝置與實施例1的聚光光伏發(fā)電裝置大致相同，其主 要區(qū)別在于該二次透鏡包括一第一光學面、一第二光學面、一底面和一外側面，該第一光 學面位于該二次透鏡的頂部，該外側面與該第一光學面相接，該底面與該外側面相接，該第 二光學面位于該底面的中間位置。實施例3本發(fā)明所述的聚光光伏發(fā)電裝置與實施例1的聚光光伏發(fā)電裝置大致相同，其主 要區(qū)別在于該二次透鏡進一步包括一第一光學面、一第二光學面、一底面、一外側面、一全反射面和一內(nèi)側面，該第一光學面位于該二次透鏡的頂部，該第二光學面位于該二次透 鏡的底部中間位置，該外側面與該第一光學面相接，該底面與該外側面相接，該底面為環(huán)行 面，該內(nèi)側面與該全反射面和該底面都相接，該第二光學面和該全反射面成倒圓錐體結構， 該全反射面為倒圓錐體的側面。實施例4如圖3和圖4所示，本發(fā)明還提供了一種對上述聚光裝置的設計方法，即對菲涅耳 透鏡50和二次透鏡60的設計方法。該設計方法依據(jù)柯勒照明原理。該設計方法主要是基 于菲涅耳透鏡50和二次透鏡60的縱截面的二維設計，再由二維曲線沿縱向中心軸旋轉得 到三維結構。其具體設計步驟如下步驟i 首先確定菲涅耳透鏡50和二次透鏡60的多個參數(shù)的具體數(shù)值，確定幾何 聚光比為C，二次透鏡60的第二光學面62的口徑為d，菲涅耳透鏡50的高寬比為a，設定菲 涅耳透鏡50的口徑以D表示，光線入射半角為et，其接收半角為Θ' t，根據(jù)幾何聚光比 公式
權利要求
1.一種聚光裝置，其包括一用來將外部光線會聚的聚焦透鏡，其特征在于，該聚光裝置 進一步包括一二次透鏡，該聚焦透鏡和該二次透鏡從上至下依序設置，該二次透鏡包括一 位于其頂部的第一光學面和一位于其底部中間位置的第二光學面，該第一光學面設置在該 聚焦透鏡的焦平面上，該第一光學面將由聚焦透鏡射來的光線會聚到該第二光學面，該第 二光學面將接收的光線透射到外部。
2.根據(jù)權利要求1所述的聚光裝置，其特征在于，該二次透鏡進一步包括一底面和一 外側面，該外側面與該第一光學面相接，該底面與該外側面相接，該第二光學面位于該底面 的中間位置。
3.根據(jù)權利要求1所述的聚光裝置，其特征在于，該二次透鏡進一步包括一底面、一外 側面、一全反射面和一內(nèi)側面，該外側面與該第一光學面相接，該底面與該外側面相接，該 底面為環(huán)行面，該內(nèi)側面與該全反射面、該底面都相接，該第二光學面和該全反射面成倒圓 錐體結構，該全反射面為倒圓錐體的側面。
4.根據(jù)權利要求1所述的聚光裝置，其特征在于，該二次透鏡進一步包括一外側面、一 第一環(huán)形面、一第二環(huán)形面、一全反射面和一內(nèi)側面，該外側面與該第一光學面相接，該第 一環(huán)形面與該外側面的底部和該內(nèi)側面的底部都相接，該第二環(huán)形面與該內(nèi)側面的頂部和 該全反射面的頂部都相接，該第二光學面和該全反射面成倒圓錐體結構，該全反射面為倒 圓錐體的側面。
5.根據(jù)權利要求1、2、3或4所述的聚光裝置，其特征在于，該聚焦透鏡為菲涅爾透鏡。
6.根據(jù)權利要求5所述的聚光裝置，其特征在于，在沿該菲涅爾透鏡和該二次透鏡的 縱截面方向的二維坐標系里，該菲涅爾透鏡的下表面包括多個鋸齒和多個端點，每一鋸齒 都是由一豎直線和一曲線構成，每一曲線都是以該菲涅爾透鏡的焦點為一焦點，并且過一 端點的雙曲線。
7.根據(jù)權利要求6所述的聚光裝置，其特征在于，該菲涅爾透鏡的每個鋸齒為相同的 齒深或相同的齒寬。
8.根據(jù)權利要求6或7所述的聚光裝置，其特征在于，在沿該菲涅爾透鏡和該二次透鏡 的縱截面方向的二維坐標系里，該第一光學面的面型曲線是以該菲涅耳透鏡的邊緣左端點 和該第二光學面的右端點為焦點，且過該菲涅爾透鏡的焦點的笛卡爾卵形線。
9.一種聚光光伏發(fā)電裝置，其包括一聚光裝置和一光伏電池，該聚光裝置包括一用來 將外部光線會聚的聚焦透鏡，該光伏電池用來接收光線并將光能轉換為電能，其特征在于， 該聚光裝置進一步包括一用來勻光的二次透鏡，該聚焦透鏡和該二次透鏡從上至下依序設 置，該二次透鏡包括一位于其頂部的第一光學面和一位于其底部中間位置的第二光學面， 該第一光學面設置在該聚焦透鏡的焦平面上，該光伏電池設置在該第一光學面的焦平面 上，該第一光學面將聚焦透鏡射來的光線會聚到該第二光學面，并通過該第二光學面透射 到該光伏電池上。
10.根據(jù)權利要求9所述的聚光光伏發(fā)電裝置，其特征在于，該聚光光伏發(fā)電裝置還包 括一封裝裝置和一跟蹤裝置，該封裝裝置用來將該聚光裝置和該光伏電池封裝在一起，該 封裝裝置固定安裝在該跟蹤裝置上，該跟蹤裝置根據(jù)不同時刻太陽的位置調(diào)整該封裝裝置 的位置和角度。
11.一種聚光裝置的設計方法，其特征在于，包括如下設計步驟步驟i 確定二次透鏡的第一光學面在沿菲涅耳透鏡和二次透鏡的縱截面方向的二維 坐標系中的面型曲線方程；步驟ii 將二次透鏡的面型曲線繞該二維坐標系的縱軸旋轉，得到二次透鏡的三維結構。
12.根據(jù)權利要求11所述的聚光裝置的設計方法，其特征在于，該設計方法在該步驟i 之前還包括如下設計步驟 步驟iii 確定菲涅耳透鏡的入射角、高寬比、口徑，以及二次透鏡的第二光學面的口徑。
13.根據(jù)權利要求12所述的聚光裝置的設計方法，其特征在于，該設計方法在該步驟i 之后還包括如下設計步驟步驟iv 根據(jù)光線追跡原理，確定二次透鏡的第一光學面的口徑和外側面的高度。
14.根據(jù)權利要求13所述的聚光裝置的設計方法，其特征在于，該設計方法在該步驟 iv之后還包括一步驟V，該步驟ν具體為根據(jù)步驟iv的結果，使得光線與二次透鏡的第 一光學面的交點在該二維坐標系的橫軸的負半軸區(qū)間內(nèi)，如果滿足該條件，則進行步驟ii ； 如果不滿足該條件，則改變菲涅耳透鏡的高寬比，并返回步驟iii、步驟i、步驟iv。
15.根據(jù)權利要求13或14所述的聚光裝置的設計方法，其特征在于，該設計方法在該 步驟iv或者步驟ν之后還包括一步驟vi，步驟vi為確定二次透鏡的全反射面、第一環(huán)形 面、第二環(huán)形面和內(nèi)側面的口徑。
16.根據(jù)權利要求11、12、13或14所述的聚光裝置的設計方法，其特征在于，該設計方 法還包括一步驟vii，步驟vii為確定菲涅耳透鏡的下表面的每一鋸齒在沿菲涅耳透鏡和 二次透鏡的縱截面方向的二維坐標系中的面型曲線方程。
17.根據(jù)權利要求16所述的聚光裝置的設計方法，其特征在于，該設計方法在該步驟 vii之后還包括一步驟viii，步驟viii為確定菲涅爾透鏡的上部的厚度和每個鋸齒的豎 直線的長度，并將菲涅耳透鏡的面型曲線繞該二維坐標系的縱軸旋轉，得到菲涅耳透鏡的 三維結構。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種聚光裝置及其設計方法、聚光光伏發(fā)電裝置。該聚光光伏發(fā)電裝置包括一聚光裝置和一光伏電池，該聚光裝置包括一用來將外部光線會聚的聚焦透鏡，該光伏電池用來接收光線并將光能轉換為電能，其中，該聚光裝置進一步包括一二次透鏡，該聚焦透鏡和該二次透鏡從上至下依序設置，該二次透鏡包括一位于其頂部的第一光學面和一位于其底部中間位置的第二光學面，該第一光學面設置在該聚焦透鏡的焦平面上，該第一光學面將聚焦透鏡射來的光線會聚到該第二光學面，并通過該第二光學面透射到該光伏電池上。本發(fā)明減少了到達光伏電池表面的光能損失，且使得照射到光伏電池表面的光線照度均勻，并且應用范圍廣泛。
文檔編號G02B27/00GK102062938SQ201010574929
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月7日 優(yōu)先權日2010年8月27日
發(fā)明者劉華, 盧振武, 荊雷, 趙會富 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所