一種聚光透鏡的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種聚光透鏡。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著礦物能源日益短缺，開發(fā)利用太陽能，特別是研宄利用太陽能廉價發(fā) 電是國際能源戰(zhàn)略緊迫又長遠的任務。太陽能能流密度低，但由于其在地表覆蓋范圍廣，存 在巨大的能源開發(fā)潛力。事實上，可通過一定的聚集光線的手段收集太陽能。在各種聚光 的手段當中，菲涅爾透鏡是一種較為成熟且效果顯著的技術。
[0003] 現(xiàn)行的菲涅爾透鏡表面主要采用多個同軸排列或平行排列的棱鏡序列，相比于傳 統(tǒng)的球面或非球面透鏡，以不連續(xù)曲面取代了傳統(tǒng)透鏡的連續(xù)球面。由于這一步改進，使菲 涅爾透鏡的結構簡便，重量和體積上顯著下降，易于大規(guī)模的制造。從聚光效果來看，球面 透鏡將光線聚焦在一個點上。而由于目前的加工技術所限，菲涅爾透鏡的剖面成鋸齒狀，光 線經過菲涅爾透鏡的棱鏡序列以后并不能聚集在一點，而是形成一塊光斑。
[0004] 光伏電池發(fā)電的效率取決于太陽光線的均勻程度。太陽光線的均勻程度越高，光 伏電池所產生的電壓越大。因此，聚光發(fā)電技術必須將太陽光線經過折射以后盡可能均勻 地投射到光伏電池之上。球面透鏡由于將光線聚集在一點上，導致局部溫度過熱，容易燒壞 器件，而菲涅爾透鏡將光線聚集成光斑則解決了光線過度聚集的問題。但現(xiàn)行菲涅爾透鏡 設計方法大都僅僅考慮如何將光線集中在一點之上，而很少考慮光線的均勻分布問題。 【實用新型內容】
[0005] 本實用新型所要解決的技術問題是，針對現(xiàn)有技術不足，提供一種聚光透鏡。
[0006] 為解決上述技術問題，本實用新型所采用的技術方案是：一種聚光透鏡，由多段圓 心在同一條直線上且半徑依次增大的透鏡連接成整體結構，且所述整體結構為凸形；除位 于最中間的一段透鏡外，其余所有段透鏡內表面均設有多個內牙，且同一段透鏡的所有內 牙底部依次連接，且相鄰內牙之間的接觸長度為Hi。，同一段透鏡的所有內牙頂點的連線構 成一個與該段透鏡平行的圓形；相鄰段透鏡相同位置上的內牙底部相互連接；所有段透鏡 上的所有內牙尚度相等；
[0007] 第i段透鏡的第i個內牙右上邊緣點的坐標
右下邊緣點的坐標
其中，（xi4, yi4)為第i段透鏡 第i個內牙的右邊沿延長線與聚光透鏡上表面延長面的交點坐標，Hic;為第i段透鏡第i個 內牙與第i段透鏡的第i+Ι個內牙的接觸長度：
，其中Hb為聚光透鏡基面高度， Q1為第i段透鏡與入射太陽光線所成角度，H為內牙高度；(X' η，太η)為第i段透鏡第 i 個內牙尖端點的坐標；(X' n，y' η) = (〇, Hm); Vkl，太= 為聚 光透鏡最高點的縱坐標；i多I ;k多2 ; β i為第一次折射時第i段透鏡的折射角。
[0008] 本實用新型聚光透鏡的設計方法，包括以下步驟：
[0009] 1)以最中間段透鏡為第0段透鏡，將所述聚光透鏡分為左右兩半部分，對于所述 聚光透鏡的右半部分，以首項為0°，公差為0~Γ，在[0°，90° )內生成一個角度等差 數(shù)列，組成角度集合Ω ;
[0010] 2)對于第i段透鏡，從上述角度集合Ω中選擇第一個角度，計算發(fā)生第一次折射 時第i段透鏡的折射角β i，其中，i多1 ;
[0011] 3)利用下式計算第i段透鏡第i個內牙右上邊緣點的橫縱坐標（xi2, yi2)和右下 邊緣點的橫縱坐標（X' u):
[0014] 其中，（xi4，yi4)為第i段透鏡第i個內牙的右邊沿延長線與聚光透鏡上表面延 長面的交點坐標，H 1。為第i段透鏡第i個內牙與第i段透鏡的第i+Ι個內牙的接觸長度，
，其中Hb為聚光透鏡基面高度，a i為第i段透鏡與入射太陽光線所成角度；H為 內牙高度；(X' n, ^ η)為第i段透鏡第i個內牙尖端點的坐標；(X' n, ^ ^) = (0,?); (X' kl,< !^二^-物又^^此為聚光透鏡最高點的縱坐標也彡〗；
[0015] 4)利用下式計算第一個角度下第0段透鏡到第i段透鏡依次相連的透鏡整體的聚 光比E :
[0017] 其中，X為第i段透鏡最右邊的點的橫坐標，d為光斑半徑；
[0018] 5)重復步驟2)~4)，遍歷角度集合Ω內所有角度，設計不同角度下的聚光透鏡 內牙，確定角度集合Ω下所有角度對應的上述步驟4)中透鏡整體的聚光比；
[0019] 6)選擇聚光比最大時的角度作為第i段透鏡與水平面所成的夾角；
[0020] 7)重復步驟2)~6)，設計剩余段透鏡，若在某段透鏡的計算過程中，沒有出現(xiàn)將 光線折射入目標位置的內牙，或者某段透鏡最外沿與聚光透鏡中心的距離達到聚光透鏡設 計半徑R，則結束計算；聚光透鏡左半部分的計算結果與右半部分的計算結果對稱。
[0021] 與現(xiàn)有技術相比，本實用新型所具有的有益效果為：本實用新型可以將照射到光 伏電池上的光線最大化和均勻化，節(jié)能環(huán)保，成本低。
【附圖說明】
[0022] 圖1為折射角β i計算過程示意圖；
[0023] 圖2為某一段聚光透鏡第一個內牙左上邊緣點計算過程示意圖；
[0024] 圖3為透鏡內牙右邊沿的斜率計算過程示意圖；
[0025] 圖4為第i段透鏡第一個內牙右上邊緣點和右下邊緣點坐標計算過程示意圖；
[0026] 圖5為分段式聚光透鏡折射光路原理圖，圖中已標示透鏡被分成兩部分，分別是 與地面平行和與地面成夾角的兩種聚光透鏡類型。其中，該兩種類型在實際應用中是分別 由多段透鏡組成，特別的，對于與地面成夾角的每塊透鏡長度是呈現(xiàn)遞減趨勢的；
[0027] 圖6為設定以下初始化條件：菲涅爾材料折射率為1. 493、高度為0. 7m(即Hm= 0. 7m)、光斑半徑為50mm、基面厚度為3mm、透鏡內牙高度為3. 5mm、透鏡半徑為906. 48mm時 本實用新型計算得到的聚光透鏡整體框架的剖面實際尺寸設計示意圖，其每塊聚光透鏡中 每個內牙的形狀類似棱鏡，且由里向外，內牙排列密度增大，同時每個內牙寬度逐漸減??；
[0028] 圖7為設定以下初始化條件：菲涅爾材料折射率為1. 493、高度為0. 7m、光斑半徑 為50mm、基面厚度為3mm、透鏡內牙高度為3. 5mm、透鏡半徑為906. 48mm時本實用新型計算 得到的聚光透鏡整體框架的第1段~第5段聚光透鏡內牙剖面細節(jié)示意圖，此段為與地面 平行部分，且由里向外，內牙排列密度增大，同時每個內牙寬度逐漸減??；
[0029] 圖8為設定以下初始化條件：菲涅爾材料折射率為1. 493、高度為0. 7m、光斑半徑 為50mm、基面厚度為3mm、透鏡內牙高度為3. 5mm、透鏡半徑為906. 48mm時本實用新型計算 得到的聚光透鏡整體框架的第6段~第9段聚光透鏡內牙剖面細節(jié)示意圖，此段為與地面 成夾角部分，且由里向外，分段聚光透鏡與地面夾角逐漸偏離180°，同時內牙排列密度增 大，每個內牙寬度逐漸減小。
【具體實施