專利名稱：一種用于聚光光伏太陽能系統(tǒng)的多面錐體棱鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件，具體是一種用于聚光光伏太陽能系統(tǒng)的多面錐體棱
鏡
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的CPV (聚光光伏)太陽能聚光系統(tǒng)的光學(xué)元件為6面錐體，在光線傳輸中起折射、反原理將光線進(jìn)行傳輸和匯集；光錐錐頂角為加’，光線進(jìn)入光錐大端面時(shí)入射角為 θ，經(jīng)折射后折射角為θ 1，光線從光錐大端面入設(shè)以后，在光錐壁進(jìn)行反射，每反射一次在光壁上的入射角就減小2 a’，光線在光錐內(nèi)第η次反射時(shí)對(duì)應(yīng)的入射角ΥΠ=90° - [ θ 1+ (2n-l)a], (n=l，2，3，···)，經(jīng)過反復(fù)做圖研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)a’ 一定時(shí)，錐體的高度H決定著光線在錐體內(nèi)部傳輸?shù)拇螖?shù)n，當(dāng)錐體的高度H過大使得反射的次數(shù)η增多，造成反射角逐漸減小，當(dāng)反射角小于臨界角時(shí)光線會(huì)從內(nèi)壁折射出，當(dāng)在小端面的入射角大于臨界角時(shí)，光線不發(fā)生折射，繼續(xù)在6面體內(nèi)部傳輸，最后從從大端面折射出，光能損失；當(dāng)高度H尺寸太小時(shí)，錐體小端面面積過大而浪費(fèi)接受光能的硅片。參見圖9，以Κ9光學(xué)材料為例，光線A 以30°入射角從6面體大端面進(jìn)入，折射角為19.25°，當(dāng)在錐體內(nèi)部發(fā)生3次反射后，在小端面時(shí)入射角為53. 51°，大于臨界角，開始往錐體大端頭發(fā)生全發(fā)射，當(dāng)光線A傳輸?shù)酱蠖祟^時(shí)，入射角為19.25°，小于臨界角41. 26°，光線從大端頭折射出，光能損失。專利號(hào)為201010286660. 2，專利名稱為“用于聚光型單色光太陽能電池系統(tǒng)的雙錐形分光棱鏡”的專利中公開了一種用于聚光型單色光太陽能電池系統(tǒng)的雙錐形分光棱鏡，由η個(gè)相同的三角棱鏡組成，每個(gè)三角棱鏡的外表面由一個(gè)矩形底面、兩個(gè)等腰三角形端面，兩個(gè)梯形側(cè)面組成；兩個(gè)三角形端面為拋光面，兩個(gè)梯形側(cè)面之間的夾角為360° 的η分之一，相鄰三角棱鏡的相鄰梯形側(cè)面拼接在一起，由三角形端面拼接而成的兩個(gè)類錐形表面，一個(gè)作為入射端面，一個(gè)作為出射端面。該分光鏡由多塊三角棱鏡組成，使用成本過高，同時(shí)對(duì)于避免光能的損失也沒有很好的解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足而提供一種減少光線在匯聚和傳輸中損失的用于聚光光伏太陽能系統(tǒng)的多面錐體棱鏡。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是該用于聚光光伏太陽能系統(tǒng)的多面錐體棱鏡，其特征在于所述的多面錐體棱鏡形狀為由下至上大小遞增的三個(gè)正四棱臺(tái)疊加而成，中層正四棱臺(tái)的上底面與上層正四棱臺(tái)的下底面重合，中層正四棱臺(tái)的下底面與下層正四棱臺(tái)的上底面重合，多面錐體棱鏡整體包括14個(gè)外表面，所述的14個(gè)外表面分別為一大一小上下平行的兩個(gè)正方形端面，以及12個(gè)等腰梯形側(cè)面。使用時(shí)將多面錐體棱鏡的大端面放在主光學(xué)系統(tǒng)的聚焦面附近聚集光束，利用本發(fā)明錐形內(nèi)壁的高反射比特性，將光束引到小端面輸出，是一種非成像的聚光元件，可增加光照能量和減少接受光的硅片面積。
本發(fā)明所述的上層正四棱臺(tái)高度為2 15mm，相鄰兩條側(cè)棱延長線所形成的夾角 2c小于20°，棱臺(tái)高度以及夾角與光線入射角及光線在大端面的入射位置有關(guān)，要確保光線以一定的角度入射后在上層正四棱臺(tái)側(cè)面上發(fā)生全反射。本發(fā)明所述的中層正四棱臺(tái)高度為3 10mm，相鄰兩條側(cè)棱延長線所形成的夾角 2b為20° 30°，棱臺(tái)高度以及夾角與光線入射角及光線在大端面的入射位置有關(guān)，要確保光線以一定的角度入射后在中層正四棱臺(tái)側(cè)面上發(fā)生全反射。本發(fā)明所述的下層正四棱臺(tái)高度為3 20mm，相鄰兩條側(cè)棱延長線所形成的夾角加為30° 40°，棱臺(tái)高度以及夾角與光線入射角及光線在大端面的入射位置有關(guān)，要確保光線以一定的角度入射后在下層正四棱臺(tái)側(cè)面上發(fā)生全反射。本發(fā)明所述的多面錐體棱鏡大端面大小為11X11 25X25mm2，小端面大小為 5X5 10X 10mm2，上端面與下端面的面積比約為2 :1。本發(fā)明所述的多面錐體棱鏡采用K9或同等光學(xué)玻璃。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明所述的多面錐體棱鏡為3階錐體， 光線從大端面不同位置入射，光線經(jīng)過折射后在不同的側(cè)面反射，因?yàn)?a>2b>2c，相同角度的光線在不同階面反射后的反射角不相同，確保最終都可以從多面錐體棱鏡的小端面折射出去。本發(fā)明中多面錐體棱鏡的各個(gè)角度和尺寸設(shè)計(jì)避免光線在進(jìn)入該光學(xué)元件后從內(nèi)壁折射出，同時(shí)保證光線在小端面不發(fā)生全反射，只發(fā)生折射，從而從小端面折射出。


圖1為本發(fā)明立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明主視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例中光線入射區(qū)域示意圖。
圖5為本發(fā)明實(shí)施例中光線從Ml區(qū)域入射示意圖。
圖6為本發(fā)明實(shí)施例中光線從M2區(qū)域入射示意圖。
圖7為本發(fā)明實(shí)施例中光線從M3區(qū)域入射示意圖。
圖8為本發(fā)明實(shí)施例中光線從M4區(qū)域入射示意圖。
圖9為現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖1-圖3，多面錐體棱鏡1采用K9光學(xué)玻璃材料制成，形狀為由下至上大小遞增的三個(gè)正四棱臺(tái)疊加而成，中層正四棱臺(tái)12上底面A1A2A3A4與上層正四棱臺(tái)11的下底面重合，中層正四棱臺(tái)12的下底面B1B2B3B4與下層正四棱臺(tái)13的上底面重合。多面錐體棱鏡1整體包括14個(gè)外表面，所述的14個(gè)外表面分別為位于多面錐體棱鏡1兩端的大端面F面和小端面E面，F(xiàn)面為正方形C1C2C3C4，E面為正方形E1E2E3E4，且兩者平行。外表面還包括12個(gè)等腰梯形側(cè)面上層正四棱臺(tái)11的4個(gè)側(cè)面分別為C1C2B1B2、 C1C4B1B4、C3C4B;3B4 和 C2C3B2B3，中層正四棱臺(tái) 12 的 4 個(gè)側(cè)面分別為 A1A2B1B2、A1A4B1B4、 A3A4B3B4 和 A2A!3B2B3，下層正四棱臺(tái) 13 的 4 個(gè)側(cè)面分別為 A1A2E1E2、A1A4E1E4、A3A4E3E4 和 A2A3E2E3。
所述的上層正四棱臺(tái)11的高度Hl為高度為2 15mm，相鄰兩條側(cè)棱延長線所形成的夾角2c小于20°。中層正四棱臺(tái)12的高度H2為3 10mm，相鄰兩條側(cè)棱延長線所形成的夾角為2b為30° 40°。下層正四棱臺(tái)13的高度H3為3 20mm，相鄰兩條側(cè)棱延長線所形成的夾角為加為30° 40°。大端面F面大小為121 625mm2，小端面E面大小為25 IOOmm20參見圖4，將多面錐體棱鏡1的大端面F面分為M1、M2、M3、M4部分，其中 M1=M2+M3+M4，M2=H3 (tag θ + taga)，M3=H2 (tag θ + tagb)，M4=Hl (tag θ + tagC) (θ 為入射光線在大端面F的折射角)。光線從多面錐體棱鏡1的大端面F面進(jìn)入，多面錐體棱鏡1采用Κ9玻璃，光線在 Κ9玻璃中的臨界角為41. 26°。參見圖5 圖8，當(dāng)光線以某入射角分別從多面錐體棱鏡1的大端面F面上的Ml、 M2、M3、M4部分入射，入射角均為17°，折射角θ = arc
ιη 17
(？； )=11.13°，舉例說明。 1.516371、)當(dāng)光線1、光線2從Ml的邊界入射，只要邊界的入射光線能從E面折射出，Ml 內(nèi)部的光線都可以從E面折射出(如圖5)，光線1、光線2經(jīng)折射后進(jìn)入元件內(nèi)部，傳播到 E面后折射出。2、)同例當(dāng)光線2、光線3從M2的邊界位置入射(如圖6)，經(jīng)F面折射角為 11.13°，光線入射到側(cè)面A2A3E2E3時(shí)(法線1與側(cè)面A2A3E2E3垂直)，入射角為
65.38°，入射角大于臨界角，光線2、光線3發(fā)生全反射，光線2、光線3入射E面時(shí)，入射角為38.12°小于臨界角，折射角為65. 25°，光線從E面折射出。3、)同例當(dāng)光線3、光線4從M3的邊界位置入射(如圖7)，經(jīng)F面折射角為 11.13°，光線入射到側(cè)面A2A3B2B3時(shí)(法線2與側(cè)面A2A3B2B3垂直)，入射角為
66.58°，入射角大于臨界角，光線3、光線4發(fā)生全反射，光線3、光線4入射E面時(shí)，入射角為35.72°小于臨界角，折射角為59. 77°，光線從E面折射出。4、)同例當(dāng)光線4、光線5從M4的邊界位置入射(如圖8)，經(jīng)F面折射角為 11.13°，光線入射到側(cè)面C2C3B2B3時(shí)(法線2與側(cè)面C2C3B2B3垂直)，入射角為 70. 08°，入射角大于臨界角，光線3、光線4發(fā)生全反射，光線3、光線4入射E面時(shí)，入射角為觀.72°小于臨界角，折射角為44. 02°，光線從E面折射出。雖然本發(fā)明已以實(shí)施例公開如上，但其并非用以限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，任何熟悉該項(xiàng)技術(shù)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和范圍內(nèi)所作的更動(dòng)與潤飾，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于聚光光伏太陽能系統(tǒng)的多面錐體棱鏡，其特征在于所述的多面錐體棱鏡形狀為由下至上大小遞增的三個(gè)正四棱臺(tái)疊加而成，中層正四棱臺(tái)的上底面與上層正四棱臺(tái)的下底面重合，中層正四棱臺(tái)的下底面與下層正四棱臺(tái)的上底面重合，多面錐體棱鏡整體包括14個(gè)外表面，所述的14個(gè)外表面分別為一大一小上下平行的兩個(gè)正方形端面，以及 12個(gè)等腰梯形側(cè)面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于聚光光伏太陽能系統(tǒng)的多面錐體棱鏡，其特征在于所述的上層正四棱臺(tái)高度為2 15mm，相鄰兩條側(cè)棱延長線所形成的夾角小于20°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于聚光光伏太陽能系統(tǒng)的多面錐體棱鏡，其特征在于所述的中層正四棱臺(tái)高度為3 10mm，相鄰兩條側(cè)棱延長線所形成的夾角為20° 30°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于聚光光伏太陽能系統(tǒng)的多面錐體棱鏡，其特征在于所述的下層正四棱臺(tái)高度為3 20mm，相鄰兩條側(cè)棱延長線所形成的夾角為30° 40°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于聚光光伏太陽能系統(tǒng)的多面錐體棱鏡，其特征在于所述的多面錐體棱鏡大端面大小為121 625mm2，小端面大小為25 100mm2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述的用于聚光光伏太陽能系統(tǒng)的多面錐體棱鏡，其特征在于所述的多面錐體棱鏡采用K9玻璃材料制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件，具體是一種用于聚光光伏太陽能系統(tǒng)的多面錐體棱鏡。該用于聚光光伏太陽能系統(tǒng)的多面錐體棱鏡，其特征在于所述的多面錐體棱鏡形狀為由下至上大小遞增的三個(gè)正四棱臺(tái)疊加而成，中層正四棱臺(tái)的上底面與上層正四棱臺(tái)的下底面重合，中層正四棱臺(tái)的下底面與下層正四棱臺(tái)的上底面重合，多面錐體棱鏡整體包括14個(gè)外表面，所述的14個(gè)外表面分別為一大一小上下平行的兩個(gè)正方形端面，以及12個(gè)等腰梯形側(cè)面。本發(fā)明能減少光線在匯聚和傳輸中的損失。
文檔編號(hào)G02B5/04GK102169917SQ20111006476
公開日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2011年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月17日
發(fā)明者周小衛(wèi), 陸躍明 申請(qǐng)人:浙江藍(lán)特光學(xué)股份有限公司