一种分区域多焦点叠加方形光斑聚光菲涅尔透镜及其制备方法与流程

本发明属于聚光透镜技术领域，具体涉及一种应用于聚光光伏发电系统分区域多焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜及其制备方法。

背景技术：

光伏发电是太阳能直接利用的一种主要形式，菲涅尔透镜是聚光光伏系统的核心组件之一，其性能的好坏直接影响着整个系统的性能，传统的点聚光菲涅尔透镜由于聚光光斑的能量分布不均匀，入射太阳光经聚光之后在电池表面形成局部热点，局部热点的存在一方面会降低电池转换效率，另一方面会损伤电池，缩短电池使用寿命，导致太阳能光伏发电系统的光电转换效率低。另外，传统的点聚光菲涅尔透镜的聚焦光斑与太阳能电池片的形状不匹配，也使得太阳能的利用效率普遍偏低。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种应用于聚光光伏发电系统的分区域多焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜及其制备方法。该分区域多焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜是通过将传统点聚光菲涅尔透镜分解成四个部分，然后再将这四个部分重新组合，根据光的叠加原理来提高聚焦光斑能量分布的均匀性。

本发明采用以下技术方案：

分区域多焦点叠加方形光斑聚光菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜由四个同心缺角等腰直角三角形单元拼接构成，所述菲涅尔透镜的中心设置有正方形空隙，每个所述同心缺角等腰直角三角形单元的透镜面上均刻录有同心圆弧，每个所述同心缺角等腰直角三角形单元形成的四个焦点均不在所述菲涅尔透镜的中心。

进一步的，所述同心缺角等腰直角三角形单元的透镜面由第一边、第二边、第三边和第四边组成，四个所述同心缺角等腰直角三角形单元的第三边首尾依次相连拼接组成所述正方形空隙。

进一步的，所述第一边为所述同心缺角等腰直角三角形单元的斜边，所述第二边和第四边为所述同心缺角等腰直角三角形单元的两腰，所述第三边为缺角弦。

进一步的，所述同心圆弧以所述第三边为起始弦开始刻录。

进一步的，所述第三边经过同心圆弧的圆心，且与所述同心圆弧的第二圆弧的弦重合。

进一步的，所述第二圆弧为半圆。

一种分区域多焦点叠加方形光斑聚光菲涅尔透镜的制备方法，包括以下步骤：

S1：用AB和CD两条相互垂直的直线将传统点聚光菲涅尔透镜中的透镜面分成四个部分，直线CD交所述传统点聚光菲涅尔透镜由中心向外第二环带于E和F点；直线AB交所述传统点聚光菲涅尔透镜由中心向外第二环带下方于G点；

S2：连接GE和GF并延长交所述传统点聚光菲涅尔透镜最外环带分别与H和I点，连接HI得到所述同心缺角等腰直角三角形单元的第一边，EH、EF和FI分别为所述同心缺角等腰直角三角形单元的第二边、第三边和第四边；

S3：沿所述同心缺角等腰直角三角形单元的四个边将所述同心缺角等腰直角三角形单元从所述传统点聚光菲涅尔透镜上切割下来；

S4：将所述四个同心缺角等腰直角三角形单元的的第三边互成90^o做无缝拼接形成所述菲涅尔透镜。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明的分区域多焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜的透镜面由四个相同的同心缺角等腰直角三角形拼接而成，四个同心缺角等腰直角三角形从传统点聚光菲涅尔透镜上切割得到，无需进行新结构设计，透镜制作工艺简单。

进一步的，一方面透镜面中心由四个相同的同心缺角等腰直角三角形缺角形成的空隙，另一方面四个同心缺角等腰直角三角形各自形成的四个焦点都不在中心，有效减小了传统点聚焦菲涅尔透镜中心光的强度；同时这个四个部分通过光的分区域叠加也可以有效提高聚焦光斑能量分布的均匀性，避免了传统点聚光菲涅尔透镜聚光不均匀形成的局部热点，有效提高了太阳能电池的寿命。

进一步的，菲涅尔透镜聚焦光斑形状为方形，与太阳能电池片的形状相匹配，使得太阳能的利用率进一步提高。

本发明还用开了一种分区域多焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜的制备方法，只需要对传统点聚光菲涅尔透镜进行所述裁剪和拼接，无需进行新结构设计，因此透镜结构简单、容易实现，成本较低。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

【附图说明】

图1为实施例1分区域多焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜的主视图；

图2为实施例1分区域多焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜的三维结构图；

图3为实施例1同心缺角等腰直角三角形单元菲涅尔透镜的主视图；

图4为实施例2同心缺角等腰直角三角形单元菲涅尔透镜的切割示意图；

图5为实施例1聚焦光斑在水平投影面的辐照度分布图；

图6为图5聚焦光斑辐照度分布剖面图。

其中：1.菲涅尔透镜；2.同心缺角等腰直角三角形单元；3.第一边；4.第二边；5.第三边；6.第四边；7.传统点聚光菲涅尔透镜。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下实施例，凡基于上述发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

一种分区域多焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜，本实施例所述分区域多焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜1的主视图如图1所示。它是由四个相同的同心缺角等腰直角三角形单元2(如图3所示)的第三边5互成90°拼接而成；所述同心缺角等腰直角三角形单元2的透镜面刻录了由小到大的同心圆弧，所述透镜面为同心缺角等腰直角三角，包括第一边3、第二边4、第三边5和第四边6；所述第三边5的两个端点分别与第一边4和第四边6连接，所述透镜面由里向外的第二圆弧为半圆，所述第三边5经过同心圆弧的圆心，且与第二圆弧的弦完全重合。

实施例2

一种分区域多焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜的制备方法，本实施例所述的分区域多焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜1中的同心缺角等腰直角三角形单元2可以从传统点聚光菲涅尔透镜7上切割得到，包括以下步骤：

S1：在传统的点聚光菲涅尔透镜中用AB、CD两条相互垂直的直线把透镜面分成四个部分(如图4所示)，直线CD交所述点聚焦菲涅尔透镜由中心向外第二环带于E和F点；直线AB交所述点聚光菲涅尔透镜由中心向外第二环带下方于G点；

S2：连接GE、GF并延长交所述点聚焦菲涅尔透镜最外环带分别与H、I，连接HI得到所述同心缺角等腰直角三角形单元菲涅尔透镜第一边3，EH、EF、FI分别为所述同心缺角等腰直角三角形单元菲涅尔透镜第二边4、第三边5和第四边6；

S3：沿着所述同心缺角等腰直角三角形单元的四个边将所述同心缺角等腰直角三角形单元2从所述传统点聚光菲涅尔透镜7中切割下来；

S4：将所述四个同心缺角等腰直角三角形单元2的第三边5互成90^o做无缝拼接形成所述菲涅尔透镜1。

从图5可以看出，所述分区域多焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜的聚焦光斑形状为方形，与太阳能电池片形状匹配。从图6可以看出，在(-0.5,0.5)mm范围内聚焦光斑辐照度最大值为3.1×10⁵W/m²，最小值为2.95×10⁷W/m²，聚光均匀度高达97.5％。