一种多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜。该多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜是通过将传统菲涅尔透镜分解再重新组合得到的，可以大幅度降低菲涅尔透镜光斑能量的不均匀度，显著提升光斑的质量，使太阳能电池接收到均匀辐照，产生的横向电流少，降低太阳能电池内部消耗，进而提高太阳能电池的输出能力。
【专利说明】一种多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种透镜，特别涉及一种多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜。
【背景技术】
[0002]太阳能具有清洁、无资源地域限制、对人类来说永无枯竭等优良特性，越来越受到人们的青睐，其中太阳能光伏利用即太阳光通过光伏器件直接转换成电能的技术尤其引人注目。
[0003]目前，一个完整的聚光光伏发电系统主要包括聚光太阳电池组件、太阳跟踪器、电能存储或逆变设备等几部分。聚光太阳电池组件作为光电转换部件，主要由透射式或反射式聚光器和安装有光伏电池晶片的电路板所组成。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。
[0004]中国发明专利CN101640502B公开了一种用于组装聚光器光电太阳能电池阵列的方法，其公开的聚光太阳电池组件采用的是点聚光菲涅尔透镜，极具代表性，已广泛应用于太阳能光伏，光热系统中。然而现有的菲涅尔透镜光斑不均匀，使太阳能电池接收到不均匀辐照，产生横向电流，增加太阳能电池内部消耗，温度升高，降低了太阳能电池的输出能力，而辐照不均匀度越大，横向电流越大，这种不良影响会更加严重。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜。该多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜是通过将传统菲涅尔透镜分解再重新组合得到的，可以大幅度降低菲涅尔透镜光斑能量的不均匀度，显著提升光斑的质量。
[0006]为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案:
[0007]本发明所述多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜，是由多个相同的单元菲涅尔透镜拼接而成；所述单元菲涅尔透镜的透镜面刻录了由小到大的同心圆弧，所述透镜面为多边形，包括第一边、第二边和第三边；所述第二边的两个端点分别与第一边和第三边连接，所述第二边经过单元菲涅尔透镜同心圆弧的圆心；所述第一边和第三边关于直线L对称，所述直线L垂直于第二边且经过同心圆弧的圆心。
[0008]传统的菲涅尔透镜只有一个焦点。而本发明所述多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜是由多个单元菲涅尔透镜拼接而成的，多个单元菲涅尔透镜分别聚焦，且其焦点不重合，亦即是说相当于多个焦点，可以使太阳能电池接收到均匀辐照，产生的横向电流少，降低太阳能电池内部消耗，进而提高太阳能电池的输出能力。
[0009]优选地，所述多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜是由多个单元菲涅尔透镜的第二边依次首尾连接拼接而成。通过以上优选，单元菲涅尔透镜的最小同心圆弧互相靠近，减小多个分散焦点之间的距离，从而更好地降低菲涅尔透镜光斑能量的不均匀度。
[0010]优选地，所述多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜是由四个相同的单元菲涅尔透镜拼接而成。所述多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜可以由多个相同的单元菲涅尔透镜的第二边依次首尾连接拼接而成，但以四个相同的单元菲涅尔透镜的第二边依次首尾连接拼接而成为佳。
[0011]优选地，所述多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜透镜面刻录的最小同心圆弧为半圆；所述第二边与半圆的弦完全重合。通过以上优选，可以进一步降低多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜光斑能量的不均匀度。
[0012]优选地，所述焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜的透镜面为五边形，所述五边形的形状为缺角正方形，所述第二边位于缺角正方形的缺角处。将单元菲涅尔透镜设计成缺角正方形，便于多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜的拼接，可以获得更佳的光斑能量均匀度。
[0013]本发明所述多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜的制备方法，包括如下步骤:
[0014](I)将圆形菲涅尔透镜沿同心圆的直径平均分为两个半圆形的菲涅尔透镜；
[0015](2)在步骤(I)所得半圆形菲涅尔透镜上切割得到一个单元菲涅尔透镜，所述单元菲涅尔透镜的透镜面为多边形，包括第一边、第二边和第三边；所述第二边的两个端点分别与第一边和第三边连接，所述第二边与半圆形菲涅尔透镜的直线边在同一直线上且所述第二边经过半圆形菲涅尔透镜同心半圆的圆心；所述第一边和第三边关于直线L对称，所述直线L垂直于第二边且经过半圆形菲涅尔透镜同心半圆的圆心；
[0016](3)将四个步骤(2)所述单元菲涅尔透镜的第二边依次首尾连接，拼接成多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜。
[0017]本发明所述多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜的产业化生产可以按照以下方法进行:首先按照上述方法设计出单元菲涅尔透镜的模芯，接着通过金刚石车床开制四个上述模芯；然后精密拼装所述四个模芯，并通过底部螺栓与模框相连形成模具，最后通过注塑的方式成型产品。
[0018]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
[0019](I)本发明所述多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜，其光斑由传统的一个变为多个，同时多个单元菲涅尔透镜采用第二边首位连接的方式拼接，减小多分散焦点之间的距离，显著地降低了菲涅尔透镜光斑能量的不均匀度，提高其光斑质量。
[0020](2)本发明所述多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜的制备方法简单，精度易于控制，成本低。
[0021](3)本发明所述多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜可以使透镜光斑能量的不均匀度从90%左右降低到30%左右，大幅度降低菲涅尔透镜能量的不均匀度，显著提升光斑的质量，使太阳能电池接收到均匀辐照，产生的横向电流少，降低太阳能电池内部消耗，进而提高太阳能电池的输出能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为实施例1所述多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜的主视图。
[0023]图2为实施例1所述单元菲涅尔透镜的主视图。
[0024]图3为实施例1所述单元菲涅尔透镜的切割示意图。
[0025]图4是传统菲涅尔透镜聚焦后光斑在水平投影面上的能量分布图。
[0026]图5是图4的能量剖面图。
[0027]图6是实施例1所述多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜聚焦后光斑在水平投影面上的能量分布图。
[0028]图7是图6的能量剖面图。
[0029]图中标记:1_多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜，2-单元菲涅尔透镜，3-第一边，4-第二边，5-第三边，6-半圆形菲涅尔透镜，7-切割线。
【具体实施方式】
[0030]下面结合试验例及【具体实施方式】对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本
【发明内容】
所实现的技术均属于本发明的范围。
[0031]实施例1
[0032]本实施例所述多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜I的示意图如图1所示。它是由四个相同的单元菲涅尔透镜2 (如图2所示)拼接而成；所述单元菲涅尔透镜2的透镜面刻录了由小到大的同心圆弧，所述透镜面为五边形(形状是缺角正方形)，包括第一边3、第二边4和第三边5 ;所述第二边4的两个端点分别与第一边3和第三边5连接；所述透镜面最小的同心圆弧为半圆，所述第二边4与半圆的弦完全重合；所述第一边3和第三边5关于直线L对称，所述直线L垂直于第二边4且经过透镜面同心圆弧的圆心。所述多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜I是由四个单元菲涅尔透镜2的第二边4按照首尾连接的方式拼接而成。
[0033]更具体地，所述单元菲涅尔透镜2可以从半圆形菲涅尔透镜6上切割得到，且切割示意图如图3所示，包括以下步骤:
[0034](I)将圆形菲涅尔透镜(直径为300mm,其最小同心半圆的直径为5mm)沿同心圆的直径平均分为两个半圆形的菲涅尔透镜6 ；
[0035](2)在步骤(I)所得半圆形菲涅尔透镜6上切割得到一个单元菲涅尔透镜2，所述单元菲涅尔透镜2的透镜面为五边形(五边形的形状是缺角正方形)，包括第一边3、第二边4和第三边5 ;所述第二边4的两个端点分别与第一边3和第三边5连接，所述第二边4与半圆形菲涅尔透镜6的直线边在同一直线上且所述第二边4经过半圆形菲涅尔透镜6同心半圆的圆心；所述第一边3和第三边5关于直线L对称，所述直线L垂直于第二边4且经过半圆形菲涅尔透镜6同心半圆的圆心；所述缺角正方形的边长(即缺角正方形的最长边)与半圆形菲涅尔透镜最大同心半圆半径的长度比1:3。
[0036]图4是传统菲涅尔透镜(即未切割前的圆形菲涅尔透镜)聚焦后光斑在水平投影面上的能量分布图；图5是图4的能量剖面图。图6是本实施例所述多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜聚焦后光斑在水平投影面上的能量分布图；图7是图6的能量剖面图。由图4和5可以看出，传统菲涅尔透镜光斑的能量分布不均匀，光斑质量差。由图6和图7可以看出，本实施例所述将传统菲涅尔透镜重新分解组合得到的多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜光斑的能量分布均匀，光斑质量有显著的提高。结合图4?7，采用以下公式(I)计算传统菲涅尔透镜和本实施例所述多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜的不均匀度:
[0037]不均匀度=(辐照最大值-辐照最小值)/(辐照最大值+辐照最小值) (I)结果得，传统菲涅尔透镜光斑的不均匀度为90%，而本实施例所述多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜光斑的能量不均匀度为30%。
[0038]实施例2
[0039]本实施例所述的多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜I中的单元菲涅尔透镜2是按以下方法从半圆形菲涅尔透镜上切割得到的:
[0040](I)将圆形菲涅尔透镜(直径为300mm,其最小同心半圆的直径为5mm)沿同心圆的直径平均分为两个半圆形的菲涅尔透镜6 ；
[0041](2)在步骤(I)所得半圆形菲涅尔透镜6上切割得到一个单元菲涅尔透镜2，所述单元菲涅尔透镜2的边长与单元菲涅尔透镜2最大同心圆弧半径的长度比为1:3 ;所述单元菲涅尔透镜2的透镜面为五边形，其形状是缺角正方形，包括第一边3、第二边4和第三边5 ;所述第二边4的两个端点分别与第一边3和第三边5连接，所述第二边4与半圆形菲涅尔透镜6的直线边在同一直线上且所述第二边4经过半圆形菲涅尔透镜6同心半圆的圆心；所述第二边4的长度小于半圆形菲涅尔透镜最小同心半圆的直径(即第二边4的长度为3mm);所述第一边3和第三边5关于直线L对称，所述直线L垂直于第二边4且经过半圆形菲涅尔透镜6同心半圆的圆心。
[0042]将四个本实施例所述单元菲涅尔透镜2按照第二边首位连接的方式拼接在一起，得到多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜。
[0043]采用实施例1所述的方法分析并计算本实施例制备的多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜光斑的能量分布，同时以传统菲涅尔透镜(即未切割前的圆形菲涅尔透镜)做对t匕。结果得传统菲涅尔透镜光斑的能量不均匀度为90%，而本实施例所述多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜光斑的能量不均匀度为50%。
[0044]实施例3
[0045]本实施例所述的多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜I中的单元菲涅尔透镜2按照以下方法从半圆形菲涅尔透镜上切割得到，具体地包括以下步骤:
[0046](I)将圆形菲涅尔透镜(直径为300mm,其最小同心半圆的直径为5mm)沿同心圆的直径平均分为两个半圆形的菲涅尔透镜6 ；
[0047](2)在步骤(I)所得半圆形菲涅尔透镜6上切割得到一个单元菲涅尔透镜2，所述单元菲涅尔透镜2的边长与单元菲涅尔透镜2最大同心圆弧半径的长度比为1:3 ;所述单元菲涅尔透镜2的透镜面为五边形，其形状是缺角正方形，包括第一边3、第二边4和第三边5 ;所述第二边4的两个端点分别与第一边3和第三边5连接，所述第二边4与半圆形菲涅尔透镜6的直线边在同一直线上且所述第二边4经过半圆形菲涅尔透镜6同心半圆的圆心；所述第二边4的长度大于半圆形菲涅尔透镜最小同心半圆的直径(即第二边4的长度为1mm);所述第一边3和第三边5关于直线L对称，所述直线L垂直于第二边4且经过半圆形菲涅尔透镜6同心半圆的圆心。
[0048]采用实施例1所述的方法分析并计算本实施例制备的多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜光斑的能量分布，同时以传统菲涅尔透镜(即未切割前的圆形菲涅尔透镜)做对t匕。结果得传统菲涅尔透镜光斑的能量不均匀度为90%，而本实施例所述多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜光斑的能量不均匀度为47%。
[0049]根据实施例1、2和3可知，实施例1 (即所述第二边4的长度等于半圆形菲涅尔透镜最小同心半圆的直径)所述的多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜光斑的能量不均匀度与实施例2 (即所述第二边4的长度小于半圆形菲涅尔透镜最小同心半圆的直径)和实施例3(即所述第二边4的长度大于半圆形菲涅尔透镜最小同心半圆的直径)相比，分别降低了 20%和17%。亦即是说，实施例1所述的技术方案是本发明的最佳实施方案，即单元菲涅尔透镜最小的同心圆弧为半圆且第二边与半圆的弦完全重合可以使本发明取得非显而易见的有益效果。
【权利要求】
1.一种多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜，其特征在于:所述多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜是由多个相同的单元菲涅尔透镜拼接而成；所述单元菲涅尔透镜的透镜面刻录了由小到大的同心圆弧，所述透镜面为多边形，包括第一边、第二边和第三边；所述第二边的两个端点分别与第一边和第三边连接，所述第二边经过单元菲涅尔透镜透镜面同心圆弧的圆心；所述第一边和第三边关于直线L对称，所述直线L垂直于第二边且经过同心圆弧的圆心。
2.根据权利要求1所述的多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜，其特征在于:所述多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜是由多个相同的单元菲涅尔透镜的第二边依次首尾连接拼接而成。
3.根据权利要求1所述的多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜，其特征在于:所述多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜是由四个相同的单元菲涅尔透镜拼接而成。
4.根据权利要求1所述的多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜，其特征在于:所述单元菲涅尔透镜透镜面最小的同心圆弧为半圆，所述第二边与半圆的弦完全重合。
5.根据权利要求1所述的多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜，其特征在于:所述单元菲涅尔透镜的透镜面为五边形，所述五边形的形状为缺角正方形，所述第二边位于缺角正方形的缺角处。
6.一种如权利要求1?5任一项所述多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)将圆形菲涅尔透镜沿同心圆的直径平均分为两个半圆形的菲涅尔透镜； (2)在步骤(I)所得半圆形菲涅尔透镜上切割得到一个单元菲涅尔透镜，所述单元菲涅尔透镜的透镜面为多边形，包括第一边、第二边和第三边；所述第二边的两个端点分别与第一边和第三边连接，所述第二边与半圆形菲涅尔透镜的直线边在同一直线上且所述第二边经过半圆形菲涅尔透镜同心半圆的圆心；所述第一边和第三边关于直线L对称，所述直线L垂直于第二边且经过半圆形菲涅尔透镜同心半圆的圆心； (3)将四个步骤(2)所述单元菲涅尔透镜的第二边依次首尾连接，拼接成多焦点光斑能量均匀化菲涅尔透镜。
【文档编号】H01L31/054GK104199132SQ201410499782
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月25日 优先权日:2014年9月25日
【发明者】黄忠, 黄饶, 帅麒, 罗敏 申请人:四川钟顺太阳能开发有限公司