[发明专利]一种菲涅尔聚光透镜及菲涅尔聚光透镜的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及菲涅尔聚光透镜，具体涉及菲涅尔聚光透镜表面齿槽的构造以及菲涅尔聚光透镜表面齿槽构造的设计方法。

背景技术

聚光光伏发电技术是公认的可降低光伏发电成本的有效途径。一个完整的聚光光伏发电系统主要包括复眼式聚光太阳电池组件、太阳跟踪器、电能存储或逆变设备等几部分。复眼式聚光太阳电池组件作为光电转换部件，主要由复眼式透镜聚光器和安装有光伏电池晶片的电路板所组成。其中，复眼式透镜聚光器包括多块平面阵列的聚光透镜，使用时通过太阳跟踪器使聚光透镜基本正对阳光照射方向，然后通过这些聚光透镜分别将太阳光汇聚并投射到电路板上与各个聚光透镜相对应的光伏电池晶片的接收面上，从而使各个光伏电池晶片中产生电流，这些电流通过电路板上的线路输出。公开号为CN101640502A的发明专利申请文件所公开的聚光太阳电池组件极具代表性。该电池组件中采用的点聚光菲涅尔透镜已成为业界公认的聚光透镜的最佳选折。仍有许多公开了采用聚光菲涅尔透镜作聚光透镜的聚光光伏发电技术的参考文献，在此不再赘述。

如图5a、图5b所示，现有的菲涅尔聚光透镜包括入射面3和出射面1，所述入射面3为平面，所述出射面1上设有多条凹陷的齿槽2，所述齿槽2包括起聚光作用的第一表面2a和与该第一表面相交的第二表面2b。当这些齿槽设计为同心的环形槽时，该聚光透镜可以将入射光线汇聚在一点上，即成为点聚光菲涅尔透镜；当这些齿槽设计为相互平行的直槽时，该聚光透镜可将入射光线汇聚在一条直线上，即成为线聚光菲涅尔透镜。受加工影响，连接于相邻两个第一表面首尾之间的第二表面的两端将不可避免的通过内圆角R1和外圆角R2与所述相邻两个第一表面连接；即便是高超的清角工艺也只能将内圆角和外圆角的半径控制在0.1毫米左右。此外，对于连接于相邻两个第一表面首尾之间的第二表面，如图5a所示，现有的菲涅尔聚光透镜多是将其设计为朝聚光透镜的焦点方向倾斜的形式，即使得第二表面2b面向聚光透镜的焦点一侧，这样设计的主要目的是使第二表面产生一定的拔模斜度，以满足透镜模具成型时的脱模要求；此外，也有的菲涅尔聚光透镜是将第二表面2b设计成与入射面垂直，即如图5b所示的情形。

总之，上述的菲涅尔聚光透镜一直存在光损失较大的问题。对于图5a所示的菲涅尔聚光透镜，从内圆角R1、外圆R2角以及第二表面2b这三个区域通过的光线将全部偏离透镜焦点，即从上述这三个区域通过的光线将全部损失；而对于图5b所示的菲涅尔聚光透镜，从内圆角R1和外圆角R2这两个区域通过的光线将全部偏离透镜焦点，即从这两个区域通过的光线全部损失，而由于其第二表面2b与入射面3垂直，因此可视为第二表面2b上未产生光损失。可见，虽然图5b所示的菲涅尔聚光透镜光损失较图5a所示的菲涅尔聚光透镜小，但由于内圆角和外圆角的存在，故图5b所示的菲涅尔聚光透镜的光损失问题依然有待改善。

另一方面，授权公告号为CN101943765B的发明专利文件(下称参考文件)公开了一种平凸透镜(参见说明书第8-20段、说明书第46-54段以及说明附图2-3)，其教导本领域技术人员可通过该透镜的旋转凸面将光线等比例压缩到接收面上来提高聚光后光斑能量分布的均匀性。本申请的发明人在上述文件的基础上开始尝试将参考文件所公开的平凸透镜进行菲涅尔化设计，以降低透镜的厚度。起初采用的设计方法是：先将该平凸透镜的旋转凸面划分为多条同心的环带，其次将各环带与透镜入射面之间多余的部分去掉，然后对这些环带进行轴向的平移，最后再对除最边缘环带外的其余环带进行调整。其调整的原因是：当透镜为参考文件中的平凸透镜时，假定通过该透镜入射面上的P1点射入的光线经折射后达到接收面上的P2点(如图8a所示)，而将该平凸透镜转化为菲涅尔透镜后，由于折射面向入射面方向平移了一段距离，从菲涅尔透镜入射面上相同的P1点射入的光线经折射后将不再达到接收面上相同的P2点，因此，通过对环带曲线的调整以使从菲涅尔透镜入射面上相同的P1点射入的光线经折射后能够达到接收面上相同的P2点(如图8b所示)。