一种聚光透镜的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种聚光透镜。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着矿物能源日益短缺，开发利用太阳能，特别是研宄利用太阳能廉价发 电是国际能源战略紧迫又长远的任务。太阳能能流密度低，但由于其在地表覆盖范围广，存 在巨大的能源开发潜力。事实上，可通过一定的聚集光线的手段收集太阳能。在各种聚光 的手段当中，菲涅尔透镜是一种较为成熟且效果显著的技术。
[0003] 现行的菲涅尔透镜表面主要采用多个同轴排列或平行排列的棱镜序列，相比于传 统的球面或非球面透镜，以不连续曲面取代了传统透镜的连续球面。由于这一步改进，使菲 涅尔透镜的结构简便，重量和体积上显著下降，易于大规模的制造。从聚光效果来看，球面 透镜将光线聚焦在一个点上。而由于目前的加工技术所限，菲涅尔透镜的剖面成锯齿状，光 线经过菲涅尔透镜的棱镜序列以后并不能聚集在一点，而是形成一块光斑。
[0004] 光伏电池发电的效率取决于太阳光线的均匀程度。太阳光线的均匀程度越高，光 伏电池所产生的电压越大。因此，聚光发电技术必须将太阳光线经过折射以后尽可能均匀 地投射到光伏电池之上。球面透镜由于将光线聚集在一点上，导致局部温度过热，容易烧坏 器件，而菲涅尔透镜将光线聚集成光斑则解决了光线过度聚集的问题。但现行菲涅尔透镜 设计方法大都仅仅考虑如何将光线集中在一点之上，而很少考虑光线的均匀分布问题。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种聚光透镜。
[0006] 为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种聚光透镜，由多段圆 心在同一条直线上且半径依次增大的透镜连接成整体结构，且所述整体结构为凸形；除位 于最中间的一段透镜外，其余所有段透镜内表面均设有多个内牙，且同一段透镜的所有内 牙底部依次连接，且相邻内牙之间的接触长度为Hi。，同一段透镜的所有内牙顶点的连线构 成一个与该段透镜平行的圆形；相邻段透镜相同位置上的内牙底部相互连接；所有段透镜 上的所有内牙尚度相等；
[0007] 第i段透镜的第i个内牙右上边缘点的坐标
右下边缘点的坐标
其中，（xi4, yi4)为第i段透镜 第i个内牙的右边沿延长线与聚光透镜上表面延长面的交点坐标，Hic;为第i段透镜第i个 内牙与第i段透镜的第i+Ι个内牙的接触长度：
，其中Hb为聚光透镜基面高度， Q1为第i段透镜与入射太阳光线所成角度，H为内牙高度；(X' η，太η)为第i段透镜第 i 个内牙尖端点的坐标；(X' n，y' η) = (〇, Hm); Vkl，太= 为聚 光透镜最高点的纵坐标；i多I ;k多2 ; β i为第一次折射时第i段透镜的折射角。
[0008] 本实用新型聚光透镜的设计方法，包括以下步骤：
[0009] 1)以最中间段透镜为第0段透镜，将所述聚光透镜分为左右两半部分，对于所述 聚光透镜的右半部分，以首项为0°，公差为0~Γ，在[0°，90° )内生成一个角度等差 数列，组成角度集合Ω ;
[0010] 2)对于第i段透镜，从上述角度集合Ω中选择第一个角度，计算发生第一次折射 时第i段透镜的折射角β i，其中，i多1 ;
[0011] 3)利用下式计算第i段透镜第i个内牙右上边缘点的横纵坐标（xi2, yi2)和右下 边缘点的横纵坐标（X' u):
[0014] 其中，（xi4，yi4)为第i段透镜第i个内牙的右边沿延长线与聚光透镜上表面延 长面的交点坐标，H 1。为第i段透镜第i个内牙与第i段透镜的第i+Ι个内牙的接触长度，
，其中Hb为聚光透镜基面高度，a i为第i段透镜与入射太阳光线所成角度；H为 内牙高度；(X' n, ^ η)为第i段透镜第i个内牙尖端点的坐标；(X' n, ^ ^) = (0,?); (X' kl,< !^二^-物又^^此为聚光透镜最高点的纵坐标也彡〗；
[0015] 4)利用下式计算第一个角度下第0段透镜到第i段透镜依次相连的透镜整体的聚 光比E :
[0017] 其中，X为第i段透镜最右边的点的横坐标，d为光斑半径；
[0018] 5)重复步骤2)~4)，遍历角度集合Ω内所有角度，设计不同角度下的聚光透镜 内牙，确定角度集合Ω下所有角度对应的上述步骤4)中透镜整体的聚光比；
[0019] 6)选择聚光比最大时的角度作为第i段透镜与水平面所成的夹角；
[0020] 7)重复步骤2)~6)，设计剩余段透镜，若在某段透镜的计算过程中，没有出现将 光线折射入目标位置的内牙，或者某段透镜最外沿与聚光透镜中心的距离达到聚光透镜设 计半径R，则结束计算；聚光透镜左半部分的计算结果与右半部分的计算结果对称。
[0021] 与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果为：本实用新型可以将照射到光 伏电池上的光线最大化和均匀化，节能环保，成本低。
【附图说明】
[0022] 图1为折射角β i计算过程示意图；
[0023] 图2为某一段聚光透镜第一个内牙左上边缘点计算过程示意图；
[0024] 图3为透镜内牙右边沿的斜率计算过程示意图；
[0025] 图4为第i段透镜第一个内牙右上边缘点和右下边缘点坐标计算过程示意图；
[0026] 图5为分段式聚光透镜折射光路原理图，图中已标示透镜被分成两部分，分别是 与地面平行和与地面成夹角的两种聚光透镜类型。其中，该两种类型在实际应用中是分别 由多段透镜组成，特别的，对于与地面成夹角的每块透镜长度是呈现递减趋势的；
[0027] 图6为设定以下初始化条件：菲涅尔材料折射率为1. 493、高度为0. 7m(即Hm= 0. 7m)、光斑半径为50mm、基面厚度为3mm、透镜内牙高度为3. 5mm、透镜半径为906. 48mm时 本实用新型计算得到的聚光透镜整体框架的剖面实际尺寸设计示意图，其每块聚光透镜中 每个内牙的形状类似棱镜，且由里向外，内牙排列密度增大，同时每个内牙宽度逐渐减小；
[0028] 图7为设定以下初始化条件：菲涅尔材料折射率为1. 493、高度为0. 7m、光斑半径 为50mm、基面厚度为3mm、透镜内牙高度为3. 5mm、透镜半径为906. 48mm时本实用新型计算 得到的聚光透镜整体框架的第1段~第5段聚光透镜内牙剖面细节示意图，此段为与地面 平行部分，且由里向外，内牙排列密度增大，同时每个内牙宽度逐渐减小；
[0029] 图8为设定以下初始化条件：菲涅尔材料折射率为1. 493、高度为0. 7m、光斑半径 为50mm、基面厚度为3mm、透镜内牙高度为3. 5mm、透镜半径为906. 48mm时本实用新型计算 得到的聚光透镜整体框架的第6段~第9段聚光透镜内牙剖面细节示意图，此段为与地面 成夹角部分，且由里向外，分段聚光透镜与地面夹角逐渐偏离180°，同时内牙排列密度增 大，每个内牙宽度逐渐减小。
【具体实施