专利名称：一种菲涅尔聚光透镜及菲涅尔聚光透镜的设计方法
技术领域：
本发明涉及菲涅尔聚光透镜，具体涉及菲涅尔聚光透镜表面齿槽的构造以及菲涅尔聚光透镜表面齿槽构造的设计方法。
背景技术：
聚光光伏发电技术是公认的可降低光伏发电成本的有效途径。一个完整的聚光光伏发电系统主要包括复眼式聚光太阳电池组件、太阳跟踪器、电能存储或逆变设备等几部分。复眼式聚光太阳电池组件作为光电转换部件，主要由复眼式透镜聚光器和安装有光伏电池晶片的电路板所组成。其中，复眼式透镜聚光器包括多块平面阵列的聚光透镜，使用时通过太阳跟踪器使聚光透镜基本正对阳光照射方向，然后通过这些聚光透镜分别将太阳光汇聚并投射到电路板上与各个聚光透镜相对应的光伏电池晶片的接收面上，从而使各个光伏电池晶片中产生电流，这些电流通过电路板上的线路输出。公开号为CN101640502A的发明专利申请文件所公开的聚光太阳电池组件极具代表性。该电池组件中采用的点聚光菲涅尔透镜已成为业界公认的聚光透镜的最佳选折。仍有许多公开了采用聚光菲涅尔透镜作聚光透镜的聚光光伏发电技术的参考文献，在此不再赘述。如图5a、图5b所示,现有的菲涅尔聚光透镜包括入射面3和出射面I,所述入射面3为平面，所述出射面I上设有多条凹陷的齿槽2，所述齿槽2包括起聚光作用的第一表面2a和与该第一表面相交的第二表面2b。当这些齿槽设计为同心的环形槽时，该聚光透镜可以将入射光线汇聚在一点上，即成为点聚光菲涅尔透镜；当这些齿槽设计为相互平行的直槽时，该聚光透镜可将入射光线汇聚在一条直线上，即成为线聚光菲涅尔透镜。受加工影响，连接于相邻两个第一表面首尾之间的第二表面的两端将不可避免的通过内圆角Rl 和外圆角R2与所述相邻两个第一表面连接；即便是高超的清角工艺也只能将内圆角和外圆角的半径控制在O. I毫米左右。此外，对于连接于相邻两个第一表面首尾之间的第二表面，如图5a所示，现有的菲涅尔聚光透镜多是将其设计为朝聚光透镜的焦点方向倾斜的形式，即使得第二表面2b面向聚光透镜的焦点一侧，这样设计的主要目的是使第二表面产生一定的拔模斜度，以满足透镜模具成型时的脱模要求；此外，也有的菲涅尔聚光透镜是将第二表面2b设计成与入射面垂直，即如图5b所示的情形。总之，上述的菲涅尔聚光透镜一直存在光损失较大的问题。对于图5a所示的菲涅尔聚光透镜，从内圆角R1、外圆R2角以及第二表面2b这三个区域通过的光线将全部偏离透镜焦点，即从上述这三个区域通过的光线将全部损失；而对于图5b所示的菲涅尔聚光透镜，从内圆角Rl和外圆角R2这两个区域通过的光线将全部偏离透镜焦点，即从这两个区域通过的光线全部损失，而由于其第二表面2b与入射面3垂直，因此可视为第二表面2b上未产生光损失。可见，虽然图5b所示的菲涅尔聚光透镜光损失较图5a所示的菲涅尔聚光透镜小，但由于内圆角和外圆角的存在，故图5b所示的菲涅尔聚光透镜的光损失问题依然有待改善。另一方面，授权公告号为CN101943765B的发明专利文件(下称参考文件)公开了一种平凸透镜(参见说明书第8-20段、说明书第46-54段以及说明附图
2-3)，其教导本领域技术人员可通过该透镜的旋转凸面将光线等比例压缩到接收面上来提高聚光后光斑能量分布的均匀性。本申请的发明人在上述文件的基础上开始尝试将参考文件所公开的平凸透镜进行菲涅尔化设计，以降低透镜的厚度。起初采用的设计方法是先将该平凸透镜的旋转凸面划分为多条同心的环带，其次将各环带与透镜入射面之间多余的部分去掉，然后对这些环带进行轴向的平移，最后再对除最边缘环带外的其余环带进行调整。其调整的原因是当透镜为参考文件中的平凸透镜时，假定通过该透镜入射面上的Pl点射入的光线经折射后达到接收面上的P2点(如图8a所示)，而将该平凸透镜转化为菲涅尔透镜后，由于折射面向入射面方向平移了一段距离，从菲涅尔透镜入射面上相同的Pl点射入的光线经折射后将不再达到接收面上相同的P2点，因此，通过对环带曲线的调整以使从菲涅尔透镜入射面上相同的Pl点射入的光线经折射后能够达到接收面上相同的P2点(如图Sb所示)。然而，经过模拟试验表明，按上述方法所设计的菲涅尔透镜并不能达到预想的光斑能量分布均匀性。经过分析后发现，其根本原因在于光的色散问题。当透镜为图8a所示的形式时，通过该透镜入射面上的Pl点射入的光线经折射后发生色散并在接收面上的P2 点的周围形成一个光斑，但由于平凸透镜的旋转凸面是连续的，因此光斑与光斑互相叠加后也基本上形成了一个能量均衡的状态；将其透镜菲涅尔化之后，由于其厚度变薄，通过该透镜入射面上相同Pl点射入的光线经折射后在接收面上相同P2点周围所形成的光斑将变大，这时光斑能量分布将会发生变化，光斑能量分布的均匀性下降。总之，如果用光斑中各点的最小辐照度Emin与该光斑的平均辐照度Eav之比来表征光斑能量分布均匀性的话，一般的球面透镜所形成的光斑中各点的最小辐照度Emin与该光斑的平均辐照度Eav之比仅为 O. 35左右，而按上述方法所设计的菲涅尔透镜在模拟聚光实验中所形成的光斑中各点的最小辐照度Emin与该光斑的平均辐照度Eav之比也只能达到O. 5左右。
发明内容
本发明旨在解决的技术问题是提供一种光斑能量分布较均匀的菲涅尔聚光透镜。为此，本发明的菲涅尔聚光透镜包括入射面和出射面，所述入射面为平面，所述出射面上设有多条凹陷的齿槽，所述齿槽包括起聚光作用的第一表面和与该第一表面相交的第二表面，通过该菲涅尔聚光透镜上各第一表面将垂直于入射面射入的光线折射到位于出射面外侧一假定的接收面上所形成的光斑中各点的最小辐照度Emin与该光斑的平均辐照度 Eav之比为O. 6至O. 99，且所述入射面的面积是光斑面积的5至2000倍。其中，所述光斑中各点的最小辐照度Emin与该光斑的平均辐照度Eav之比最好为O. 7以上。此外，所述入射面的面积最好是光斑面积的10倍以上。需说明，本申请所说的辐照度包含AMl. 5以及AMO的辐照情况。在此基础上，本发明还要降低该菲涅尔聚光透镜的光损失。为此，所述第二表面的两端分别通过内圆角和外圆角与相邻两个第一表面的首尾连接；且所述第二表面朝所述入射面方向倾斜以使通过该透镜的光损失小于当第二表面垂直与入射面时通过透镜的光损失。由于第二表面朝入射面倾斜，即第二表面面向聚光透镜的入射面一侧，故第二表面与入射面之间的夹角为锐角。当第二表面与入射面之间的夹角较大(即第二表面倾斜程度偏小)时，相邻的内圆角和外圆角之间在透镜的径向方向上部分重叠，在重叠区域光线不通过外圆角，即外圆角上只有部分区域会产生光的损失，故整个菲涅尔聚光透镜的光损失相比当第二表面垂直与入射面时得以减小；当第二表面与入射面之间的夹角较继续减小时，最终可使光线完全不通过外圆角区域，且此时光线经第一表面偏折后亦不会通过第二表面，故对于整个菲涅尔聚光透镜而言，光线仅在内圆角区域产生损失，使得整个菲涅尔聚光透镜的光损失得以进一步减小；若第二表面与入射面之间的夹角较继续减小，达到使部分光线经第一表面偏折后仍能通过第二表面的程度时，此时第二表面倾斜程度偏大，整个菲涅尔聚光透镜的光损失将随之增大，但依然可以在一定程度内小于当第二表面垂直与入射面时而通过透镜的光损失。由此可见，本发明应优先选择使第二表面的倾斜程度以使光既不通过与该第二表面连接的外圆角也不通过该第二表面为宜；其次，若在不得不适当减小第二表面的倾斜度(如透镜材料所限等)的情况下，也可选择让第二表面的倾斜程度能够使光仅通过与该第二表面连接的外圆角的部分区域。内圆角和外圆角的半径当然越小越好，本发明优选内圆角和外圆角的半径在O. I 毫米以下。此外，本发明优选的第二表面的倾斜程度为第二表面的两端点在所述入射面上的投影距离为O. 3至O. 6毫米之间。由于第二表面朝入射面倾斜的设计使得第二表面的拔模斜度为负，从而对产品脱模造成一定程度的阻碍，因此在产品脱模时有可能造成菲涅尔聚光透镜表面损伤。对此，本发明的菲涅尔聚光透镜最好是由经模具成型时不产生拔模损伤的柔性材料制成，比如硅胶
坐寸ο由于采用了与现有菲涅尔聚光透镜的表面齿槽不同的结构，既提高了聚光后光斑能量分布的均匀性，又减小了光的损失，提高了光能的利用效率，如将其运用至聚光光伏发电领域时可提高发电效率。本发明所要解决的另一技术问题是提供一种菲涅尔聚光透镜的设计方法，从而设计出光斑能量分布较均匀的菲涅尔聚光透镜。由该方法所设计的透镜包括入射面和出射面，所述入射面为平面，所述出射面上设有多条凹陷的齿槽，所述齿槽包括起聚光作用的第一表面和与该第一表面相交的第二表面，其步骤是首先，确定一个与该透镜侧面正投影方向垂直且经过透镜中心的纵截面，使该透镜的所有的第一表面在该纵截面上反映为多条间断的曲线，然后按照从透镜边缘向透镜中心的方向将这些曲线分别标定为Cl、C2…Cn，令各曲线Cl、C2…Cn上距离所述透镜中心最远的一端为曲线的起始端；其次，设定各曲线C1、C2…Cn的起始端与所述透镜中心的距离分别为al、a2…an， 并设定通过该透镜上各曲线Cl、C2…Cn的起始端将垂直于透镜入射面射入的光线折射到位于出射面外侧一假定的接收面上所形成的光点与所述透镜中心的距离分别为bl、b2… bn ;其中，距离al根据透镜的半径确定，距离al与距离bl之比为V 至7^00，距离a2、a3… an根据距离al及齿槽数量确定，距离b2、b3…bn根据距离bl及齿槽数量确定；再次，令各曲线Cl、C2…Cn均满足以下公式
权利要求
1.一种菲涅尔聚光透镜，包括入射面(3)和出射面(I)，所述入射面(3)为平面，所述出射面(I)上设有多条凹陷的齿槽(2)，所述齿槽(2)包括起聚光作用的第一表面(2a)和与该第一表面(2a)相交的第二表面(2b)，其特征是通过该菲涅尔聚光透镜上各第一表面 (2a)将垂直于入射面(3)射入的光线折射到位于出射面(I)外侧一假定的接收面(9)上所形成的光斑中各点的最小辐照度Emin与该光斑的平均辐照度Eav之比为O. 6至O. 99，且所述入射面(3)的面积是光斑面积的5至2000倍。
2.如权利要求I所述的一种菲涅尔聚光透镜，其特征是所述光斑中各点的最小辐照度Emin与该光斑的平均辐照度Eav之比为O. 7以上。
3.如权利要求I或2所述的一种菲涅尔聚光透镜，其特征是所述入射面(3)的面积是光斑面积的10倍以上。
4.如权利要求I或2所述的一种菲涅尔聚光透镜，其特征是所述第二表面(2b)的两端分别通过内圆角(Rl)和外圆角(R2)与相邻两个第一表面(2a)的首尾连接；所述第二表面(2b)朝所述入射面(3)方向倾斜以使通过该透镜的光损失小于当第二表面(2b)垂直与入射面(3)时通过透镜的光损失。
5.如权利要求4所述的一种菲涅尔聚光透镜，其特征是所述第二表面(2b)的倾斜程度以使光既不通过与该第二表面(2b)连接的外圆角(R2)也不通过该第二表面(2b)。
6.如权利要求4所述的一种菲涅尔聚光透镜，其特征是所述第二表面(2b)的倾斜程度以使光仅通过与该第二表面(2b)连接的外圆角(R2)的部分区域。
7.如权利要求4至6中任意一项权利要求所述的一种菲涅尔聚光透镜，其特征是所述内圆角(Rl)和外圆角(R2)的半径在O. I毫米以下。
8.如权利要求7所述的一种菲涅尔聚光透镜，其特征是所述第二表面(2b)的两端点在所述入射面(3)上的投影距离(D)为O. 3至O. 6毫米之间。
9.如权利要求3至5中任意一项权利要求所述的一种菲涅尔聚光透镜，其特征是该菲涅尔聚光透镜是由经模具成型时不产生拔模损伤的柔性材料制成。
10.菲涅尔聚光透镜的设计方法，由该方法所设计的透镜包括入射面(3)和出射面(I)，所述入射面(3)为平面，所述出射面(I)上设有多条凹陷的齿槽(2)，所述齿槽(2)包括起聚光作用的第一表面(2a)和与该第一表面(2a)相交的第二表面(2b),其特征是首先，确定一个与该透镜侧面正投影方向垂直且经过透镜中心(10)的纵截面，使该透镜的所有的第一表面(2a)在该纵截面上反映为多条间断的曲线，然后按照从透镜边缘向透镜中心(10)的方向将这些曲线分别标定为C1、C2…Cn，令各曲线C1、C2…Cn上距离所述透镜中心(10)最远的一端为曲线的起始端；其次，设定各曲线Cl、C2…Cn的起始端与所述透镜中心(10)的距离分别为al、a2… an，并设定通过该透镜上各曲线Cl、C2…Cn的起始端将垂直于透镜入射面(3)射入的光线折射到位于出射面(I)外侧一假定的接收面(9)上所形成的光点与所述透镜中心(10)的距离分别为bl、b2…bn ;其中，距离al根据透镜的半径确定，距离al与距离bl之比为V 至 #00，距离a2、a3*"an根据距离al及齿槽⑵数量确定，距离b2、b3…bn根据距离bl及齿槽(2)数量确定；再次，令各曲线C1、C2…Cn均满足以下公式
全文摘要
本发明公开了一种光斑能量分布较均匀的菲涅尔聚光透镜。该菲涅尔聚光透镜包括入射面和出射面，所述入射面为平面，所述出射面上设有多条凹陷的齿槽，所述齿槽包括起聚光作用的第一表面和与该第一表面相交的第二表面，通过该菲涅尔聚光透镜上各第一表面将垂直于入射面射入的光线折射到位于出射面外侧一假定的接收面上所形成的光斑中各点的最小辐照度Emin与该光斑的平均辐照度Eav之比为0.6至0.99，且所述入射面的面积是光斑面积的5至2000倍。此外，本发明还提供一种菲涅尔聚光透镜的设计方法，从而设计出光斑能量分布较均匀的菲涅尔聚光透镜。
文档编号G02B3/08GK102590902SQ20121004810
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月28日 优先权日2012年2月28日
发明者黄忠 申请人:四川钟顺太阳能开发有限公司