[发明专利]一种均匀会聚菲涅尔透镜的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种透镜的设计方法，具体涉及一种均匀会聚菲涅尔透镜的设计方法。

背景技术

传统能源濒临枯竭，能源问题日益突出，太阳能以其储量丰富、分布广泛、绿色无污染的独特优势备受瞩目。在太阳能应用领域，光伏发电技术具有良好的发展前景。

聚光光伏是第三代光伏系统，以相对廉价的透镜部分替代昂贵的太阳能电池，提高了系统转化效率，降低了系统成本。聚光光伏系统优势明显，但也存在一些问题需要解决，如用传统菲涅尔透镜进行聚光，电池表面聚光分布不均，导致电池内部串联电阻损耗增大，电池转化效率下降，高倍聚光产生的局部热点会损伤电池，影响电池寿命；而引入二次聚光装置改善聚光分布，不仅增加系统成本，而且使系统组装调试变得复杂，不利于实际应用，传统菲涅尔透镜的设计方法均基于同轴设计，所有光线向透镜中心轴位置聚集，致使焦平面上中心光强极大。

发明内容

本发明为解决传统菲涅尔透镜的设计方法均基于同轴设计，所有光线向透镜中心轴位置聚集，致使焦平面上中心光强极大的问题，进而提出一种均匀会聚菲涅尔透镜的设计方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明所述方法的具体步骤如下：

步骤一、确定透镜尺寸L、焦斑尺寸L₀、透镜环带齿宽w、材料折射率n：由上述参数求出透镜的环带总数N和几何聚光比C，N和C分别满足方程：

N=2L/w]]>

C＝(L/L₀)²；

步骤二、确定透镜焦距f：透镜焦距f满足f/2L＞0.4；

步骤三、求解透镜具体参数：

步骤三(一)计算透镜环带设计所需的参数，光轴坐标偏移量s和离轴聚焦焦距F，s和F分别满足方程：

s＝LL₀/(L-2L₀)

F＝Lf/(L-2L₀)；

步骤三(二)、计算透镜各个环带的曲率半径r_j，r_j满足方程：

rj=2s+jw,]]>j＝1，2，Λ，N，

方程中s是光轴坐标偏移量，w是透镜环带齿宽；

步骤三(三)、利用数值计算方法逐一求解透镜各环带的第一倾角α_j，α_j满足方程：

nsinα_j＝sin(α_j+tan^-1(r_j/F))，j＝1，2，Λ，N，

方程中n是材料折射率，r_j是各个环带的曲率半径，F是离轴聚焦焦距；

步骤三(四)、确定透镜各环带的第二倾角β_j，β_j满足方程：

方程中α_j是各环带的第一倾角；

步骤三(五)、确定透镜的基底厚度d₀，并求解透镜各环带的齿高d_j，d_j满足方程：

d_j＝w/(cotα_j+cotβ_j)，j＝1，2，Λ，N，

方程中w是透镜环带齿宽，α_j是各环带的第一倾角，β_j是各环带的第二倾角；

步骤三(六)、求解透镜各环带旋转起点坐标(x_1j，y_1j)、终点坐标(x_2j，y_2j)及旋转角度θ_j，(x_1j，y_1j)、(x_2j，y_2j)和θ_j分别满足方程：