[发明专利]聚光装置及其设计方法、聚光光伏发电装置

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种聚光装置及其设计方法，以及使用该聚光装置的聚光光伏发电装置。

【背景技术】

光能作为地球上最为丰富的可再生能源，日益受到世界上各个国家的重视。然而到目前为止，光能光伏技术并未像人们预想的那样得到广泛地应用。究其原因，主要是因为光伏系统成本过高。

目前降低光伏系统成本的有效途径之一，是在光伏发电装置中增加成本相对较低的聚光器件以形成聚光光伏发电装置。现有技术聚光光伏发电装置包括一聚光透镜、一匀光棱镜和一光伏电池，该聚光透镜、该匀光棱镜和该光伏电池从上至下依次设置。该聚光透镜接收外部射入的太阳光线，并将太阳光线会聚到该匀光棱镜内，该匀光棱镜将进入其内部的太阳光线进行多次反射后，照射到光伏电池的表面，该光伏电池将光能转换为电能。

然而，现有技术聚光光伏发电装置存在诸多缺陷，首先，由于光线需要在匀光棱镜内进行多次反射后才照射到光伏电池的表面上，造成到达光伏电池的光能损失较大，并且使得照射到光伏电池表面的光线照度不均匀，从而降低了光伏电池的光电转换效率；其次，为了使得射入到匀光棱镜内的光线发生全反射，则照射到匀光棱镜的照射角度限定在一个较小的范围，从而造成其应用范围较为有限。此外，需要设置匀光棱镜的位置及其与菲涅尔聚光镜之间所成的角度，使得光线以特定的角度射入到匀光棱镜内发生全反射，由此造成整个系统的组装调试较为复杂，同时也增大了系统机械不稳定性。

【发明内容】

为了解决现有技术聚光光伏发电装置的光电转换效率低以及应用范围较为有限的技术问题，本发明提供一种光电转换效率高以及应用范围较为广泛的聚光光伏发电装置。

本发明提供一种聚光装置，其包括一用来将外部光线会聚的聚焦透镜，其中，该聚光装置进一步包括一二次透镜，该聚焦透镜和该二次透镜从上至下依序设置，该二次透镜包括一位于其顶部的第一光学面和一位于其底部中间位置的第二光学面，该第一光学面设置在该聚焦透镜的焦平面上，该第一光学面将由聚焦透镜射来的光线会聚到该第二光学面，该第二光学面将接收的光线透射到外部。

所述的二次透镜进一步包括一底面和一外侧面，该外侧面与该第一光学面相接，该底面与该外侧面相接，该第二光学面位于该底面的中间位置。

所述的二次透镜进一步包括一底面、一外侧面、一全反射面和一内侧面，该外侧面与该第一光学面相接，该底面与该外侧面相接，该底面为环行面，该内侧面与该全反射面、该底面都相接，该第二光学面和该全反射面成倒圆锥体结构，该全反射面为倒圆锥体的侧面。

所述的二次透镜进一步包括一外侧面、一第一环形面、一第二环形面、一全反射面和一内侧面，该外侧面与该第一光学面相接，该第一环形面与该外侧面的底部和该内侧面的底部都相接，该第二环形面与该内侧面的顶部和该全反射面的顶部都相接，该第二光学面和该全反射面成倒圆锥体结构，该全反射面为倒圆锥体的侧面。

所述的聚焦透镜为菲涅尔透镜。

在沿该菲涅尔透镜和该二次透镜的纵截面方向的二维坐标系里，该菲涅尔透镜的下表面包括多个锯齿和多个端点，每一锯齿都是由一竖直线和一曲线构成，每一曲线都是以该菲涅尔透镜的焦点为一焦点，并且过一端点的双曲线。

所述的菲涅尔透镜的每个锯齿为相同的齿深或相同的齿宽。

在沿该菲涅尔透镜和该二次透镜的纵截面方向的二维坐标系里，该第一光学面的面型曲线是以该菲涅耳透镜的边缘左端点和该第二光学面的右端点为焦点，且过该菲涅尔透镜的焦点的笛卡尔卵形线。

本发明还提供一种聚光光伏发电装置，其包括一聚光装置和一光伏电池，该聚光装置包括一用来将外部光线会聚的聚焦透镜，该光伏电池用来接收光线并将光能转换为电能，其中，该聚光装置进一步包括一用来匀光的二次透镜，该聚焦透镜和该二次透镜从上至下依序设置，该二次透镜包括一位于其顶部的第一光学面和一位于其底部中间位置的第二光学面，该第一光学面设置在该聚焦透镜的焦平面上，该光伏电池设置在该第一光学面的焦平面上，该第一光学面将聚焦透镜射来的光线会聚到该第二光学面，并通过该第二光学面透射到该光伏电池上。

所述的聚光光伏发电装置还包括一封装装置和一跟踪装置，该封装装置用来将该聚光装置和该光伏电池封装在一起，该封装装置固定安装在该跟踪装置上，该跟踪装置根据不同时刻太阳的位置调整该封装装置的位置和角度。

本发明还提供了一种聚光装置的设计方法，包括如下设计步骤：

步骤i：确定二次透镜的第一光学面在沿菲涅耳透镜和二次透镜的纵截面方向的二维坐标系中的面型曲线方程；

步骤ii：将二次透镜的面型曲线绕该二维坐标系的纵轴旋转，得到二次透镜的三维结构。