[发明专利]一种聚光透镜及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚光透镜及其设计方法。

背景技术

近年来，随着矿物能源日益短缺，开发利用太阳能，特别是研究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。

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。

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。只有当光线在光伏电池上均匀分布，才可能将最大限度发挥光伏电池。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种聚光透镜及其设计方法。

为解决上述技术问题，本发明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H_ic，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高度相等；对于第i段透镜的第i个内牙，其右上边缘点的横纵坐标(x_i2,y_i2)计算公式为右下边缘点的横纵坐标(x′_i2,y′_i2)计算公式为其中，(x_i4,y_i4)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_ic为第i段透镜第i个内牙与第i段透镜的第i+1个内牙的接触长度，其中H_b为聚光透镜基面高度，α₁为第i段透镜与入射太阳光线所成角度，H为内牙高度；(x′_i1,y′_i1)为第i段透镜第i个内牙尖端点的坐标；(x′₁₁,y′₁₁)＝(0,H_m)；(x′_k1,y′_k1)＝(x_(k-1)2,y_(k-1)2)_；H_m为聚光透镜最高点的纵坐标；i≥1；k≥2；β₁为第一次折射时第i段透镜的折射角。

本发明还提供了一种上述聚光透镜的设计方法，包括以下步骤：

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0～1°，在[0°,90°)内生成一个角度等差数列，组成角度集合Ω；

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β₁，其中，i≥1；

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(x_i2,y_i2)和右下边缘点的横纵坐标(x′_i2,y′_i2)：