[发明专利]一种太阳能聚光菲涅尔透镜及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚光透镜及其设计方法，特别涉及一种用于太阳能聚光的菲涅尔透镜及设计方法。

背景技术

菲涅尔透镜是由法国物理学家Augustin Jean Fresnel在1822年所发明的一种透镜，与传统的球面或非球面透镜相比，菲涅尔透镜采用多个同轴排列或平行排列的棱镜序列组成不连续曲面取代了一般透镜的连续球面，因此，菲涅尔透镜结构简单，便于制造，在重量和体积上比一般透镜更轻、更薄，在设计上可以获得更大的孔径与焦距比。虽然菲涅尔透镜最初主要是为灯塔探照灯而设计，但目前菲涅尔透镜在投影仪、大屏幕背投电视、便携放大镜、太阳能热水器、太阳能电站以及空间飞行器的太阳能帆板等众多领域获得了广泛的应用。

最初的菲涅透镜由于当时的制作工艺和光学设计、加工技术所限，采用的是棱镜序列。但从光学原理上来说，棱镜序列不能把光聚焦在一点上，从而使这种类型菲涅尔镜的光斑很大，光斑的温度不能很高，且光斑能量不均匀。

在本发明作出之前，文献“菲涅尔透镜统一设计方法”（[J].太阳能学报,1991 ,12 (4) :423-426.）和“菲涅尔聚光透镜的一般设计方法及效率分析”（[J].武汉理工大学学报,2010,3(6):62-66），分别在棱镜序列设计的基础上提出了一些改进的方法。现代计算机技术的发展和加工工艺水平的提高，使设计和加工更为复杂的菲涅尔透镜成为了可能，另一种基于非球面的菲涅尔透镜设计方法，采用一系列球面进行设计。从光学原理可知，球面镜对于近轴光线可很好聚焦于一点，离轴越远，聚焦就会越偏离焦点，因此，上述设计在制作大口径的菲涅尔透镜上并不太适合。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供了一种聚光弥散圆直径小，光能分布均匀，光斑温度高，能有效提高光能转换效率的太阳能聚光菲涅尔透镜及其设计方法。

实现本发明目的的技术方案是提供一种太阳能聚光菲涅尔透镜的设计方法，包括如下步骤：

1、以菲涅尔镜的母线正方向为X轴，在X轴上按等间距dx分成n等分，各节点的坐标分别为X₁、X₂……X_n；

2、在                                                处，设定母线矢高及母线在该处的导数为0； 

3、按，估算处的矢高，再根据光学折射原理确定处的导数，按式,确定下一坐标处的矢高；重复本步骤，得到任意位置处的矢高；

4、判断是否大于等于指定深度，或判断是否大于等于指定宽度；若是，则当前环带设计完成，执行步骤5；反之，返回步骤3；

5、将下一个所对应的和设定为0，对剩余节点的坐标x，重复步骤3～4进行下一环带的设计，依次完成全部环带的设计，得到一种太阳能聚光菲涅尔透镜。

本发明技术方案还包括按上述设计方法得到的一种太阳能聚光菲涅尔透镜。

由于上述设计方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、本发明提供的设计方法不同于传统的设计方法直接计算曲面的矢高，而是通过计算曲线各点处的导数，再对各点导数的数值积分从而获取曲线的矢高，设计中，只需给定材料折射率，口径、焦距和允许深度或宽度，就能获得需要的菲涅尔曲面，设计方法简单，调整灵活，且设计周期短，成本低。

2、相对于传统的设计方法，由于本发明设计的面形理论上能把太阳光聚焦于一点，因此，得到的聚光弥散圆的光能分布均匀；还由于设计的菲涅尔透镜弥散圆直径较小，因此，在同样口径条件下，光斑能达到的温度比传统的设计要高很多，从而可大幅提高光能的转换效率。

4．设计方法适用于任何类型的菲涅尔透镜。

附图说明

图1 是本发明提供的一种太阳能聚光菲涅尔透镜的设计原理图；

图2 是按本发明实施例提供的设计方法得到的菲涅尔环带的结果示意图；

图3是按传统设计方法制造的菲涅尔透镜的光斑图；

图4是本发明实施例提供的菲涅尔透镜的光斑图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步阐述。

实施例1：

利用本发明设计如下要求的菲涅尔透镜：材料折射率n=1.499，口径D=120mm，焦距f=120，指定深度h=1mm。

本实施例提供的菲涅尔镜设计方法的具体实施步骤如下：