一種聚光透鏡及其設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種聚光透鏡及其設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著礦物能源日益短缺，開發(fā)利用太陽能，特別是研宄利用太陽能廉價(jià)發(fā) 電是國際能源戰(zhàn)略緊迫又長遠(yuǎn)的任務(wù)。太陽能能流密度低，但由于其在地表覆蓋范圍廣，存 在巨大的能源開發(fā)潛力。事實(shí)上，可通過一定的聚集光線的手段收集太陽能。在各種聚光 的手段當(dāng)中，菲涅爾透鏡是一種較為成熟且效果顯著的技術(shù)。
[0003] 現(xiàn)行的菲涅爾透鏡表面主要采用多個(gè)同軸排列或平行排列的棱鏡序列，相比于傳 統(tǒng)的球面或非球面透鏡，以不連續(xù)曲面取代了傳統(tǒng)透鏡的連續(xù)球面。由于這一步改進(jìn)，使菲 涅爾透鏡的結(jié)構(gòu)簡便，重量和體積上顯著下降，易于大規(guī)模的制造。從聚光效果來看，球面 透鏡將光線聚焦在一個(gè)點(diǎn)上。而由于目前的加工技術(shù)所限，菲涅爾透鏡的剖面成鋸齒狀，光 線經(jīng)過菲涅爾透鏡的棱鏡序列以后并不能聚集在一點(diǎn)，而是形成一塊光斑。
[0004] 光伏電池發(fā)電的效率取決于太陽光線的均勻程度。太陽光線的均勻程度越高，光 伏電池所產(chǎn)生的電壓越大。因此，聚光發(fā)電技術(shù)必須將太陽光線經(jīng)過折射以后盡可能均勻 地投射到光伏電池之上。球面透鏡由于將光線聚集在一點(diǎn)上，導(dǎo)致局部溫度過熱，容易燒壞 器件，而菲涅爾透鏡將光線聚集成光斑則解決了光線過度聚集的問題。但現(xiàn)行菲涅爾透鏡 設(shè)計(jì)方法大都僅僅考慮如何將光線集中在一點(diǎn)之上，而很少考慮光線的均勻分布問題。只 有當(dāng)光線在光伏電池上均勻分布，才可能將最大限度發(fā)揮光伏電池。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種聚光透鏡及其設(shè)計(jì) 方法。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種聚光透鏡，由多段圓心 在同一條直線上且半徑依次增大的透鏡連接成整體結(jié)構(gòu)，且所述整體結(jié)構(gòu)為凸形；除位于 最中間的一段透鏡外，其余所有段透鏡內(nèi)表面均設(shè)有多個(gè)內(nèi)牙，且同一段透鏡的所有內(nèi)牙 底部依次連接，且相鄰內(nèi)牙之間的接觸長度為氏。，同一段透鏡的所有內(nèi)牙頂點(diǎn)的連線構(gòu)成 一個(gè)與該段透鏡平行的圓形；相鄰段透鏡相同位置上的內(nèi)牙底部相互連接；所有段透鏡上 的所有內(nèi)牙高度相等；對于第i段透鏡的第i個(gè)內(nèi)牙，其右上邊緣點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)（X i2, yi2) 計(jì)算公式為
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種聚光透鏡，其特征在于，由多段圓屯、在同一條直線上且半徑依次增大的透鏡連 接成整體結(jié)構(gòu)，且所述整體結(jié)構(gòu)為凸形；除位于最中間的一段透鏡外，其余所有段透鏡內(nèi)表 面均設(shè)有多個(gè)內(nèi)牙，且同一段透鏡的所有內(nèi)牙底部依次連接，且相鄰內(nèi)牙之間的接觸長度 為&。，同一段透鏡的所有內(nèi)牙頂點(diǎn)的連線構(gòu)成一個(gè)與該段透鏡平行的圓形；相鄰段透鏡相 同位置上的內(nèi)牙底部相互連接；所有段透鏡上的所有內(nèi)牙高度相等；對于第i段透鏡的第i 個(gè)內(nèi)牙，其右上邊緣點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)（Xi2,y^)計(jì)算公式為
右下邊緣 點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)（X' 12,y' 12)計(jì)算公式為
其中，（Xi4，yi4)為第i段 透鏡第i個(gè)內(nèi)牙的右邊沿延長線與聚光透鏡上表面延長面的交點(diǎn)坐標(biāo)，為第i段透鏡第 i個(gè)內(nèi)牙與第i段透鏡的第i+1個(gè)內(nèi)牙的接觸長度，=7^^，其中Hb為聚光透鏡基面 高度，a1為第i段透鏡與入射太陽光線所成角度，H為內(nèi)牙高度；(X'u，y'U)為第i段 透鏡第i個(gè)內(nèi)牙尖端點(diǎn)的坐標(biāo)；（X'll，y'li) = (〇，Hm);(X'kl，y'ki) = (X(k-l)2，y(k-l)2); Hm為聚光透鏡最高點(diǎn)的縱坐標(biāo)；i> 1;k> 2 ;e1為第一次折射時(shí)第i段透鏡的折射角。
2. -種權(quán)利要求1所述聚光透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括W下步驟： 1. W最中間段透鏡為第0段透鏡，將所述聚光透鏡分為左右兩半部分，對于所述聚光 透鏡的右半部分，W首項(xiàng)為0°，公差為0~r，在[0°，9〇° )內(nèi)生成一個(gè)角度等差數(shù)列， 組成角度集合Q; 2) 對于第i段透鏡，從上述角度集合Q中選擇第一個(gè)角度，計(jì)算發(fā)生第一次折射時(shí)第 i段透鏡的折射角01，其中，i> 1 ; 3) 利用下式計(jì)算第i段透鏡第i個(gè)內(nèi)牙右上邊緣點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)（Xi2,y^)和右下邊緣 點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)（X'n，y'i2):
其中，（Xi4,yi4)為第i段透鏡第i個(gè)內(nèi)牙的右邊沿延長線與聚光透鏡上表面延長面的 交點(diǎn)坐標(biāo)； 4) 利用下式計(jì)算第一個(gè)角度下第0段透鏡到第i段透鏡依次相連的透鏡整體的聚光比 E；
其中，X為第i段透鏡最右邊的點(diǎn)的橫坐標(biāo)，d為光斑半徑； 5) 重復(fù)步驟2)~4)，遍歷角度集合Q內(nèi)所有角度，設(shè)計(jì)不同角度下的聚光透鏡內(nèi)牙， 確定角度集合Q下所有角度對應(yīng)的上述步驟4)中透鏡整體的聚光比； 6) 選擇聚光比最大時(shí)的角度作為第i段透鏡與水平面所成的夾角； 7) 重復(fù)步驟2)~6)，設(shè)計(jì)剩余段透鏡，若在某段透鏡的計(jì)算過程中，沒有出現(xiàn)將光線 折射入目標(biāo)位置的內(nèi)牙，或者某段透鏡最外沿與聚光透鏡中屯、的距離達(dá)到聚光透鏡設(shè)計(jì)半 徑R，則結(jié)束計(jì)算；聚光透鏡左半部分的計(jì)算結(jié)果與右半部分的計(jì)算結(jié)果對稱。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種聚光透鏡及其設(shè)計(jì)方法，聚光透鏡由多段圓心在同一條直線上且半徑依次增大的透鏡連接成整體結(jié)構(gòu)，且所述整體結(jié)構(gòu)為凸形；除位于最中間的一段透鏡外，其余所有段透鏡內(nèi)表面均設(shè)有多個(gè)內(nèi)牙，且同一段透鏡的所有內(nèi)牙底部依次連接，且相鄰內(nèi)牙之間的接觸長度為Hic，同一段透鏡的所有內(nèi)牙頂點(diǎn)的連線構(gòu)成一個(gè)與該段透鏡平行的圓形；相鄰段透鏡相同位置上的內(nèi)牙底部相互連接；所有段透鏡上的所有內(nèi)牙高度相等。本發(fā)明可以將照射到光伏電池上的光線最大化和均勻化。
【IPC分類】G02B27-00, G02B19-00, G02B3-08
【公開號】CN104849846
【申請?zhí)枴緾N201510292832
【發(fā)明人】李弘 , 郭承軍, 伍嘉文, 張金喜, 李本棟, 黃羽中, 曾曉南
【申請人】廣州數(shù)銳智能科技有限公司
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年5月29日