[发明专利]一种折反射式九模块均匀聚光菲涅尔透镜

说明书

本发明提供一种折反射式九模块均匀聚光菲涅尔透镜，采用等齿高直角三角形齿形、中心凸透镜设计，菲涅尔透镜内环采用折射聚光，外环依靠全反射原理和高反射膜实现反射聚光，既解决了菲涅尔透镜口径受限的问题，又扩大了透镜在接收面上的光斑分布面积，接收面上不存在能量高度集中的焦点，避免了菲涅尔透镜设计中存在的四角能量较高现象。折反射式九模块均匀聚光菲涅尔透镜的直角三角形齿形避免了焦点处能量集中现象，能量均匀分布在接受面上一定面积；该设计也降低了加工难度，降低成本，提高光学效率。

技术领域

本发明专利涉及一种均匀聚光菲涅尔透镜，具体地说，涉及一种折反射式九模块均匀聚光菲涅尔透镜。

背景技术

目前，菲涅尔透镜广泛应用于光伏聚光领域，菲涅尔透镜的特点是在保持透镜表面曲率半径的基础上，把多余的材料去掉，透镜上的每一个环相当于独立的等焦距透镜，从而降低了成本，适用于非成像光学聚光。但是，现有菲涅尔透镜存在聚光均匀度差的问题，这会导致接收器表面出现局部过热现象，造成器件损害，同时现有均匀聚光菲涅尔透镜存在一些不足，例如透镜口径受限、光学效率较低等问题。

例如，武汉理工大学吴贺利在《菲涅尔太阳能聚光器研究》一文中提出的一种均匀化平面楞型朝内菲涅尔透镜，该透镜实现了均匀聚光，但是该设计采用与传统菲涅尔透镜相同的方式，表面环带采取等环距设计，环距为1mm，齿高为0-0.8mm，查阅相关文献可知，目前国内菲涅尔透镜加工精度在几十微米级，加工精度不足导致的齿高相对误差较大，严重限制了光学效率的提升。该论文中菲涅尔透镜中心为平面玻璃板，在接收面上，由于菲涅透镜的焦斑位于四个角上，导致接收面四角能量大于接收面中央能量，平面玻璃板形成的光斑对于接受面辐照度均匀性的提高贡献不大。更重要的是，该设计也没有解决全反射现象对透镜尺寸的限制问题，仅依靠折射实现聚光，当菲涅尔透镜的口径逐渐增大，不可避免的会发生全反射现象，这严重限制了透镜口径的提高和光学效率的增加。

韩国LEE SUNG JUN在专利号KR20110041073A中提出了一种用于收集太阳能的菲涅尔透镜组合，该透镜组合由多个格子状的方形菲涅尔透镜分层堆叠得来。格子状的方形菲涅尔透镜由一对线性菲涅尔透镜形成，在相互正交的方向上相互重叠，中心为一个方形凸透镜，在方形凸透镜的外周上形成的具有曲率的金字塔形的格子状透镜元件。每个金字塔形的透镜元件相当于一个独立的透镜，实现聚焦。通过多个格子状的方形菲涅耳透镜分层叠加，从而缩短透镜复合体的焦距，方便超大型透镜的制造，以减少热收集过程中的热损失。但是该设计缺少均匀聚光功能，且每个金字塔形的格子状透镜元件为满足聚光要求，各透镜元件曲率不同，每一个格子状透镜元件都需要刀具反复重复运动加工，导致加工困难，因加工误差造成的光学效率损失较大。

上海电力学院的殷丹艳等人在《环面焦斑全内反射菲涅尔透镜设计及分析》一文中提出一种环面焦斑全内反射菲涅尔透镜，该透镜借助两次全反射实现聚光，但是考虑到全反射条件n sin i_N≥1，当使用聚甲基丙烯酸甲酯材质(polymethyl methacrylate，简称PMMA)时，在环带倾角小于66°时不会发生两次全反射从而导致杂散光的产生。该设计采取圆环带设计，导致均匀度的提高受到环带数既菲涅尔透镜的几何聚光比的限制；同时环面焦斑全内反射菲涅尔透镜为圆形，形成的焦斑为环面，显然不适用于大型太阳能阵列拼接使用。

此外，以上背景技术及其他菲涅尔透镜的表面普遍没有抗反射膜，经过实际仿真测试，在菲涅尔透镜的平面及折射面上，在有抗反射膜和没有抗反射膜的情况下，反射造成的相对能量损失可达8％，可见，反射损失是不可忽略的。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有菲涅尔透镜聚焦不均匀的问题而提供的一种折反射式九模块均匀聚光菲涅尔透镜，可以有效解决菲涅尔透镜存在聚光均匀度差、接收器表面出现局部过热现象的问题。