本發(fā)明屬于聚光透鏡技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)離軸非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱疊加方形光斑均勻聚光菲涅爾透鏡及其制備方法。

背景技術(shù)：

光伏發(fā)電是太陽能直接利用的一種主要形式，菲涅爾透鏡是聚光光伏系統(tǒng)的核心組件之一，其性能的好壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能，傳統(tǒng)的點(diǎn)聚光菲涅爾透鏡由于聚光光斑的能量分布不均勻，入射太陽光經(jīng)聚光之后在電池表面形成局部熱點(diǎn)，局部熱點(diǎn)的存在一方面會(huì)降低電池轉(zhuǎn)換效率，另一方面會(huì)損傷電池，縮短電池使用壽命，導(dǎo)致太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率低。另外，傳統(tǒng)的點(diǎn)聚光菲涅爾透鏡的聚焦光斑與太陽能電池片的形狀不匹配，也使得太陽能的利用效率普遍偏低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種應(yīng)用于聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)的離軸非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱疊加方形光斑均勻聚光菲涅爾透鏡。該離軸非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱疊加方形光斑均勻聚光菲涅爾透鏡不但聚光均勻性高，而且聚集光斑形狀為方形與太陽能電池片形狀匹配性好，可以有效地提高太陽能光伏發(fā)電的效率。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

離軸非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱疊加光斑聚光菲涅爾透鏡，所述菲涅爾透鏡由四個(gè)等腰直角三角形單元拼接構(gòu)成，四個(gè)所述等腰直角三角形單元沿坐標(biāo)軸對(duì)稱分布，每個(gè)所述等腰直角三角形單元上刻錄有環(huán)帶，所述環(huán)帶采用離軸非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱方式布置。

進(jìn)一步的，所述環(huán)帶從所述等腰直角三角形單元的直角開始刻錄。

進(jìn)一步的，所述等腰直角三角形單元的斜邊為第一邊，兩直角邊分別為第二邊和第三邊，四個(gè)所述等腰直角三角形單元的第一邊首尾相連組成所述菲涅爾透鏡的方形透鏡面。

進(jìn)一步的，每個(gè)所述等腰直角三角形單元上均設(shè)置有聚焦軸，光線分別通過四個(gè)所述等腰直角三角形單元的聚焦軸疊加形成光斑。

進(jìn)一步的，所述疊加具體為：當(dāng)光線a、b(或者光線c、d)相交時(shí)，四個(gè)象限產(chǎn)生的所述光斑完全重疊，全部光線均從所述方形透鏡面內(nèi)通過，在焦距f之前所述光斑尺寸逐漸減小，在焦距f位置處所述光斑尺寸達(dá)到最小值，在焦距f后所述光斑開始發(fā)散，其中，光線a和c為入射光束經(jīng)所述菲涅爾透鏡第一象限折射之后的邊緣光線，光線b和d為所述菲涅爾透鏡第三象限對(duì)應(yīng)的邊緣光線。

一種離軸非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱疊加光斑聚光菲涅爾透鏡的制備方法，包括以下步驟：

S1：首先根據(jù)太陽能電池片的大小確定方形透鏡邊長L、焦距f、焦斑邊長L₀和透鏡環(huán)帶齒寬w參數(shù)；

S2：根據(jù)離軸非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱疊加原理，利用步驟S1得到的參數(shù)分別計(jì)算相應(yīng)的透鏡光軸坐標(biāo)偏移量S以及透鏡離軸聚焦焦距F，具體如下：

S3：根據(jù)公式得出環(huán)帶數(shù)N，根據(jù)公式得出環(huán)帶曲率半徑r_j，根據(jù)公式得出環(huán)帶傾角α_j，根據(jù)公式d_j＝w·tgα_j得出鋸齒高度d_j，其中，j＝1、2、3…N，n為透鏡材料的折射率，根據(jù)以上參數(shù)制備所述菲涅爾透鏡。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：

本發(fā)明離軸非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱疊加方形光斑均勻聚光菲涅爾透鏡由四個(gè)完全相同的等腰直角三角形單元無縫拼接而成，透鏡面中各個(gè)環(huán)帶拋棄了傳統(tǒng)菲涅爾透鏡固有的同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)，各個(gè)環(huán)帶采用離軸非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱聚焦設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

進(jìn)一步的，所述菲涅爾透鏡聚焦光斑為方形，與太陽能電池片的形狀相匹配，有效提高了太陽能的利用率；所述菲涅爾透鏡具有較高的聚光均勻性，有效避免了傳統(tǒng)點(diǎn)聚光菲涅爾透鏡聚光不均勻形成的局部熱點(diǎn)，提高了太陽能電池的壽命。

本發(fā)明還公開了離軸非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱疊加方形光斑均勻聚光菲涅爾透鏡的制備方法，該方法操作簡單，易于批量生產(chǎn)，制備的透鏡結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。

下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

【附圖說明】

圖1為實(shí)施例1離軸非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱疊加方形光斑均勻聚光菲涅爾透鏡的主視圖；

圖2為實(shí)施例1離軸非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱疊加方形光斑均勻聚光菲涅爾透鏡的三維結(jié)構(gòu)圖；

圖3為實(shí)施例1等腰直角三角形單元菲涅爾透鏡的主視圖；

圖4為實(shí)施例2離軸非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱疊加法原理示意圖；

圖5為實(shí)施例1聚焦光斑在水平投影面的輻照度分布圖；

圖6為圖5聚焦光斑輻照度分布剖面圖。

其中：1.菲涅爾透鏡；2.等腰直角三角形單元；3.第一邊；4.第二邊；5.第三邊。

【具體實(shí)施方式】

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下實(shí)施例，凡基于上述發(fā)明內(nèi)容所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明所述離軸非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱疊加方形光斑均勻聚光菲涅爾透鏡由四個(gè)相同的等腰直角三角形單元2拼接而成。所述等腰直角三角形單元2的透鏡面刻錄了由小到大的環(huán)帶，所述等腰直角三角形單元菲涅爾透鏡的透鏡面中各個(gè)環(huán)帶拋棄了傳統(tǒng)菲涅爾透鏡固有的同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)，所述各個(gè)環(huán)帶采用離軸非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱聚焦設(shè)計(jì)，各個(gè)環(huán)帶的傾角、齒高和曲率半徑不盡相同。

所述等腰直角三角形單元2的透鏡面包括第一邊3、第二邊4和第三邊5，其中第一邊3為所述等腰直角三角形的斜邊，第二邊4和第四邊5為所述等腰直角三角形兩腰，第二邊4和第四邊5的夾角為90°。

所述離軸非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱疊加方形光斑均勻聚光菲涅爾透鏡的透鏡面為方形，由四個(gè)等腰直角三角形單元菲涅爾透鏡的第一邊3首尾依次相連拼接而成，所述四個(gè)第一邊3互成90°，四個(gè)等腰直角三角形單元菲涅爾透鏡分布完全一致且關(guān)于坐標(biāo)軸對(duì)稱。

每個(gè)所述等腰直角三角形單元2都有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的聚焦軸，光線通過四個(gè)所述等腰直角三角形單元2組成的菲涅爾透鏡后在各自的聚焦軸上形成的四個(gè)光斑經(jīng)過疊加來提高聚光的均勻性。

實(shí)施例1

本實(shí)施例所述離軸非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱疊加方形光斑均勻聚光菲涅爾透鏡1的主視圖如圖1所示。它是由四個(gè)完全相同的等腰直角三角形單元2(如圖3所示)的第一邊3首尾依次相連無縫拼接而成；所述四個(gè)第一邊3互成90°，四個(gè)等腰直角三角形單元菲涅爾透鏡分布完全一致且關(guān)于坐標(biāo)軸對(duì)稱。

所述的等腰直角三角形單元2的透鏡面刻錄了由小到大的環(huán)帶，所述透鏡面包括第一邊3、第二邊4和第三邊5弧邊；所述第一邊3的兩個(gè)端點(diǎn)分別與第二邊4和第三邊5連接。

實(shí)施例2

本實(shí)施例所述的離軸非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱疊加方形光斑均勻聚光菲涅爾透鏡的疊加過程如圖4所示。

由于四個(gè)象限環(huán)帶分布相互對(duì)稱，以第一、三象限為例進(jìn)行說明。如圖4所示，光線a、c是入射光束經(jīng)方形透鏡第一象限折射之后的邊緣光線，光線b、d為方形透鏡第三象限對(duì)應(yīng)的邊緣光線。由邊緣光學(xué)原理可知，當(dāng)光線a、b(或者光線c、d)相交時(shí)，四個(gè)象限產(chǎn)生的光斑完全重疊，全部光線均從該方形區(qū)域內(nèi)通過，由此即可確定均勻光斑的輸出位置焦距f和尺寸L₀。由幾何光學(xué)知識(shí)可知，在焦距f之前光斑尺寸逐漸減小，在焦距f位置處光斑尺寸達(dá)到最小值，之后開始發(fā)散，為此f為透鏡的焦距。

實(shí)施例3

本實(shí)施例所述的等腰直角三角形單元2的制備過程如下：

S1：首先根據(jù)太陽能電池片的大小確定方形透鏡邊長L、焦距f和焦斑邊長L₀、透鏡環(huán)帶齒寬w等參數(shù)；

S2：然后根據(jù)離軸非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱疊加原理計(jì)算出相應(yīng)的光軸坐標(biāo)偏移量S以及透鏡離軸聚焦焦距F；

S3：最后計(jì)算得出環(huán)帶數(shù)N、環(huán)帶曲率半徑r_j、環(huán)帶傾角α_j以及鋸齒高度d_j等菲涅爾透

鏡的具體參數(shù)，生成實(shí)體透鏡。

nsinα_j＝sin[α_j+arctg(r^j/F)]；

d_j＝w·tgα_j；

其中，j＝1、2、3…N，n為透鏡材料的折射率，根據(jù)以上參數(shù)制備所述菲涅爾透鏡。

從圖5可以看出，所述離軸非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱疊加方形光斑均勻聚光菲涅爾透鏡的聚焦光斑形狀為方形，與太陽能電池片形狀匹配。

從圖6可以看出，在(-2,2)mm范圍內(nèi)聚焦光斑輻照度最大值為8×10⁷W/m²，最小值為7×10⁷W/m²，聚光均勻度高達(dá)93.3％。