[发明专利]一种基于分段式等光强的双层聚光透镜及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及聚光透镜技术领域，特别涉及一种基于分段式等光强的双层聚光透镜及其设计方法。

背景技术

近年来，随着能源危机的日益加重，人类迫切地需要一种清洁能源来缓解现今面临的能源危机，但是由于技术的限制，作为重点研究的太阳能能源的实际利用量只为世界总发电电量的0.1％，相当于地面一小时能接受日光辅照总能量(4.3×1020J)。由此可见，太阳能利用依旧存在非常巨大的拓展空间，而在太阳能能源利用中具有重要研究意义的一项工作便是太阳能廉价发电。采用聚光方法可以克服太阳能能流密度低的缺点，提高太阳能转化为电能的效率，并且降低成本，而运用菲涅尔透镜聚光正是一种廉价的聚光方法。

在上世纪70年代，美国NASA便对菲涅尔透镜的设计方法和透镜透过率等方面进行了详细的描述，为以后各国的研究提供了方向性的指引。Kritchman在1979年为提高菲涅尔透镜的光学效率与聚光倍速这两方面性能，在大量的实验研究基础上研制出了聚光曲面线聚焦菲涅尔透镜。法国物理学家Augustion Jean Fresnel于1822年研究发明的菲涅尔透镜，在菲涅尔透镜表面主要采用多个同轴排列或平行排列的棱镜序列，区别于传统的球面或非球面透镜，该透镜以不连续曲面取代了传统透镜的连续球面，在此改进上，菲涅尔透镜的结构趋向于简便且易于制造，对比一般透镜，在重量和体积上更是有了突破性的进展，在设计上更是能够获取更大的聚焦比和孔径。

由于以往制作工艺上光学设计与加工技术的限制，最初的菲涅尔透镜采用的是棱镜序列，从光学原理的角度分析，棱镜序列是不能将光聚焦在一点上，因而这种类型的菲涅尔透镜存在光斑很大，光斑温度低和光斑能量不均匀等问题。在聚光分布不均的问题上，国内外许多研究人员提出了不同的解决方案，但其本质上都是通过对聚光系统结构的改进来提高聚光分布飞均匀性。单层菲涅尔透镜均匀聚焦系统便是其中的一类，单层菲涅尔透镜均匀聚焦系统通过直接改变菲涅尔透镜机构设计方法，获得新型透镜结构，达到改善聚光分布均匀的目的。但在现今的单层菲涅尔透镜均匀聚光系统中，存在只适用于中低倍聚光系统且实用性差的问题。

因此，高倍的菲涅尔透镜均匀聚光系统的研究具有十分重要的意义，研究出一种等光强聚焦的菲涅尔透镜的设计原理，并使用双层菲涅尔透镜均匀聚焦系统，优化菲涅尔透镜的聚光效果，有效地提高光能转换效率，显得十分迫切。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提供一种基于分段式等光强的双层聚光透镜，其为双层菲涅尔聚光透镜，其中第一层聚光透镜可实现使光线等光强且平行射入至第二层聚光透镜，第二层聚光透镜可实现使整个双层聚光透镜产生等光强的光斑且光线密集分布于光伏板上所有位置，避免了光伏板局部受热不均匀的弊端，聚光能力和聚光均匀性佳，还降低了透镜的框架高度，具有很好的抗风效果。

本发明的另一目的在于，提供一种前述基于分段式等光强的双层聚光透镜的设计方法。

本发明为达到上述目的所采用的技术方案是：

一种基于分段式等光强的双层聚光透镜，其包括第一层聚光透镜和设于第一层聚光透镜下方的第二层聚光透镜，所述第一层聚光透镜和第二聚光透镜均为水平设置，所述第一层聚光透镜和第二层聚光透镜均由首尾相连的若干段聚光透镜组成，所述第一层聚光透镜和第二层聚光透镜的中间段聚光透镜均不设内牙，所述的第一层聚光透镜除中间段以外其他所有段聚光透镜内表面设有用于使光线等光强且平行射入至第二层聚光透镜上的多个第一内牙，所述的第二层聚光透镜除中间段以外其他所有段聚光透镜内表面设有用于使整个双层聚光透镜产生等光强的光斑且光线密集分布于光伏板上所有位置的多个第二内牙。

进一步地，所述的第一层聚光透镜与第二层聚光透镜的中间段聚光透镜的长度均等于所述光伏板的长度。

进一步地，所述的第一层聚光透镜上的多个第一内牙的大小形状均相同。

进一步地，所述的第二层聚光透镜上的多个第二内牙的高度相等，且所述多个第二内牙均根据所述第一层聚光透镜入射到第二层聚光透镜的光线的斜率及该光线的入射角与折射角进行设置。

进一步地，所述的第一层聚光透镜的总长度为L＝(N+1)·d，其中N是长度均为d的聚光透镜的数目，以确保光线射入到第二层聚光透镜上。