離軸非旋轉對稱疊加光斑聚光菲涅爾透鏡及其制備方法與流程
本發明屬于聚光透鏡技術領域，具體涉及一種應用于聚光光伏發電系統離軸非旋轉對稱疊加方形光斑均勻聚光菲涅爾透鏡及其制備方法。
背景技術：
光伏發電是太陽能直接利用的一種主要形式，菲涅爾透鏡是聚光光伏系統的核心組件之一，其性能的好壞直接影響著整個系統的性能，傳統的點聚光菲涅爾透鏡由于聚光光斑的能量分布不均勻，入射太陽光經聚光之后在電池表面形成局部熱點，局部熱點的存在一方面會降低電池轉換效率，另一方面會損傷電池，縮短電池使用壽命，導致太陽能光伏發電系統的光電轉換效率低。另外，傳統的點聚光菲涅爾透鏡的聚焦光斑與太陽能電池片的形狀不匹配，也使得太陽能的利用效率普遍偏低。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供了一種應用于聚光光伏發電系統的離軸非旋轉對稱疊加方形光斑均勻聚光菲涅爾透鏡。該離軸非旋轉對稱疊加方形光斑均勻聚光菲涅爾透鏡不但聚光均勻性高，而且聚集光斑形狀為方形與太陽能電池片形狀匹配性好，可以有效地提高太陽能光伏發電的效率。
本發明采用以下技術方案：
離軸非旋轉對稱疊加光斑聚光菲涅爾透鏡，所述菲涅爾透鏡由四個等腰直角三角形單元拼接構成，四個所述等腰直角三角形單元沿坐標軸對稱分布，每個所述等腰直角三角形單元上刻錄有環帶，所述環帶采用離軸非旋轉對稱方式布置。
進一步的，所述環帶從所述等腰直角三角形單元的直角開始刻錄。
進一步的，所述等腰直角三角形單元的斜邊為第一邊，兩直角邊分別為第二邊和第三邊，四個所述等腰直角三角形單元的第一邊首尾相連組成所述菲涅爾透鏡的方形透鏡面。
進一步的，每個所述等腰直角三角形單元上均設置有聚焦軸，光線分別通過四個所述等腰直角三角形單元的聚焦軸疊加形成光斑。
進一步的，所述疊加具體為：當光線a、b(或者光線c、d)相交時，四個象限產生的所述光斑完全重疊，全部光線均從所述方形透鏡面內通過，在焦距f之前所述光斑尺寸逐漸減小，在焦距f位置處所述光斑尺寸達到最小值，在焦距f后所述光斑開始發散，其中，光線a和c為入射光束經所述菲涅爾透鏡第一象限折射之后的邊緣光線，光線b和d為所述菲涅爾透鏡第三象限對應的邊緣光線。
一種離軸非旋轉對稱疊加光斑聚光菲涅爾透鏡的制備方法，包括以下步驟：
S1：首先根據太陽能電池片的大小確定方形透鏡邊長L、焦距f、焦斑邊長L0和透鏡環帶齒寬w參數；
S2：根據離軸非旋轉對稱疊加原理，利用步驟S1得到的參數分別計算相應的透鏡光軸坐標偏移量S以及透鏡離軸聚焦焦距F，具體如下：
S3：根據公式得出環帶數N，根據公式得出環帶曲率半徑rj，根據公式得出環帶傾角αj，根據公式dj＝w·tgαj得出鋸齒高度dj，其中，j＝1、2、3…N，n為透鏡材料的折射率，根據以上參數制備所述菲涅爾透鏡。
與現有技術相比，本發明至少具有以下有益效果：
本發明離軸非旋轉對稱疊加方形光斑均勻聚光菲涅爾透鏡由四個完全相同的等腰直角三角形單元無縫拼接而成，透鏡面中各個環帶拋棄了傳統菲涅爾透鏡固有的同心圓環結構，各個環帶采用離軸非旋轉對稱聚焦設計，具有結構簡單、容易實現等優點。
進一步的，所述菲涅爾透鏡聚焦光斑為方形，與太陽能電池片的形狀相匹配，有效提高了太陽能的利用率；所述菲涅爾透鏡具有較高的聚光均勻性，有效避免了傳統點聚光菲涅爾透鏡聚光不均勻形成的局部熱點，提高了太陽能電池的壽命。
本發明還公開了離軸非旋轉對稱疊加方形光斑均勻聚光菲涅爾透鏡的制備方法，該方法操作簡單，易于批量生產，制備的透鏡結構簡單，成本較低。
下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
【附圖說明】
圖1為實施例1離軸非旋轉對稱疊加方形光斑均勻聚光菲涅爾透鏡的主視圖；
圖2為實施例1離軸非旋轉對稱疊加方形光斑均勻聚光菲涅爾透鏡的三維結構圖；
圖3為實施例1等腰直角三角形單元菲涅爾透鏡的主視圖；
圖4為實施例2離軸非旋轉對稱疊加法原理示意圖；
圖5為實施例1聚焦光斑在水平投影面的輻照度分布圖；
圖6為圖5聚焦光斑輻照度分布剖面圖。
其中：1.菲涅爾透鏡；2.等腰直角三角形單元；3.第一邊；4.第二邊；5.第三邊。
【具體實施方式】
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。但不應將此理解為本發明上述主題的范圍僅限于以下實施例，凡基于上述發明內容所實現的技術均屬于本發明的范圍。
本發明所述離軸非旋轉對稱疊加方形光斑均勻聚光菲涅爾透鏡由四個相同的等腰直角三角形單元2拼接而成。所述等腰直角三角形單元2的透鏡面刻錄了由小到大的環帶，所述等腰直角三角形單元菲涅爾透鏡的透鏡面中各個環帶拋棄了傳統菲涅爾透鏡固有的同心圓環結構，所述各個環帶采用離軸非旋轉對稱聚焦設計，各個環帶的傾角、齒高和曲率半徑不盡相同。
所述等腰直角三角形單元2的透鏡面包括第一邊3、第二邊4和第三邊5，其中第一邊3為所述等腰直角三角形的斜邊，第二邊4和第四邊5為所述等腰直角三角形兩腰，第二邊4和第四邊5的夾角為90°。
所述離軸非旋轉對稱疊加方形光斑均勻聚光菲涅爾透鏡的透鏡面為方形，由四個等腰直角三角形單元菲涅爾透鏡的第一邊3首尾依次相連拼接而成，所述四個第一邊3互成90°，四個等腰直角三角形單元菲涅爾透鏡分布完全一致且關于坐標軸對稱。
每個所述等腰直角三角形單元2都有一個與之對應的聚焦軸，光線通過四個所述等腰直角三角形單元2組成的菲涅爾透鏡后在各自的聚焦軸上形成的四個光斑經過疊加來提高聚光的均勻性。
實施例1
本實施例所述離軸非旋轉對稱疊加方形光斑均勻聚光菲涅爾透鏡1的主視圖如圖1所示。它是由四個完全相同的等腰直角三角形單元2(如圖3所示)的第一邊3首尾依次相連無縫拼接而成；所述四個第一邊3互成90°，四個等腰直角三角形單元菲涅爾透鏡分布完全一致且關于坐標軸對稱。
所述的等腰直角三角形單元2的透鏡面刻錄了由小到大的環帶，所述透鏡面包括第一邊3、第二邊4和第三邊5弧邊；所述第一邊3的兩個端點分別與第二邊4和第三邊5連接。
實施例2
本實施例所述的離軸非旋轉對稱疊加方形光斑均勻聚光菲涅爾透鏡的疊加過程如圖4所示。
由于四個象限環帶分布相互對稱，以第一、三象限為例進行說明。如圖4所示，光線a、c是入射光束經方形透鏡第一象限折射之后的邊緣光線，光線b、d為方形透鏡第三象限對應的邊緣光線。由邊緣光學原理可知，當光線a、b(或者光線c、d)相交時，四個象限產生的光斑完全重疊，全部光線均從該方形區域內通過，由此即可確定均勻光斑的輸出位置焦距f和尺寸L0。由幾何光學知識可知，在焦距f之前光斑尺寸逐漸減小，在焦距f位置處光斑尺寸達到最小值，之后開始發散，為此f為透鏡的焦距。
實施例3
本實施例所述的等腰直角三角形單元2的制備過程如下：
S1：首先根據太陽能電池片的大小確定方形透鏡邊長L、焦距f和焦斑邊長L0、透鏡環帶齒寬w等參數；
S2：然后根據離軸非旋轉對稱疊加原理計算出相應的光軸坐標偏移量S以及透鏡離軸聚焦焦距F；
S3：最后計算得出環帶數N、環帶曲率半徑rj、環帶傾角αj以及鋸齒高度dj等菲涅爾透
鏡的具體參數，生成實體透鏡。
nsinαj＝sin[αj+arctg(rj/F)]；
dj＝w·tgαj；
其中，j＝1、2、3…N，n為透鏡材料的折射率，根據以上參數制備所述菲涅爾透鏡。
從圖5可以看出，所述離軸非旋轉對稱疊加方形光斑均勻聚光菲涅爾透鏡的聚焦光斑形狀為方形，與太陽能電池片形狀匹配。
從圖6可以看出，在(-2,2)mm范圍內聚焦光斑輻照度最大值為8×107W/m2，最小值為7×107W/m2，聚光均勻度高達93.3％。
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