分区域多焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅耳透镜设计

发布时间：2019-09-21 16:24

【摘要】：针对传统点聚焦菲涅耳透镜聚光分布均匀性较差以及聚焦光斑形状与太阳能电池片不匹配的缺点,提出了一种分区多焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅耳透镜的设计方法。在传统圆形同心环带点聚集菲涅耳透镜的基础上截取4个缺角等腰直角三角形菲涅耳透镜单元,做无缝拼接形成分区域四焦点叠加的方形光斑均匀聚光菲涅耳透镜,通过这4个区域光的叠加有效改善了聚光的均匀度。基于光线追迹法,采用TracePro光线模拟软件模拟并分析了环距、缺角弦长、腰长等透镜结构参数对聚焦光斑形状、聚光均匀度、辐照度等光学性能参数的影响。结果表明采用该方法设计的透镜聚焦光斑形状为方形,聚光均匀度高达90%以上。
【图文】：

结构设计图,叠加法,透镜,结构设计

太阳能电池片的形状不匹配，也使得太阳能的利用效率普遍偏低［２－５］。为此，提出一种分区域多焦点叠加的方形光斑均匀聚光菲涅耳透镜设计方法，通过优化透镜参数，改善了聚光分布均匀性，从而提高了太阳能聚光系统的整体效率。２透镜设计２．１设计原理改善传统点聚焦菲涅耳透镜焦平面辐照度分布的不均匀性，关键在于降低焦平面中心峰值［６－９］。从改变传统菲涅耳透镜单一焦点的设计思路出发，将传统圆形同心环带点聚集菲涅耳透镜的透镜面按照环带半径划分为若干个区域，不同区域设置不同焦点，如图１所示，图中αｊ为透镜环带倾角，ｒｊ为环带半径，，ｓｉ为透镜聚焦各焦点，ｆ为透镜焦距。入射到透镜表面的光线，经透镜作用之后在焦平面上形成多个环状光斑，由于减少了直接在焦平面中心区域上聚焦的光线数量，焦平面中心区域聚集的能量减少，外围能量增加，中心辐照度峰值降低，焦平面辐照度分布均匀性得以改善。通过调整透镜面区域划分方式改变各区域的焦点位置，对焦平面辐照度分布均匀性进行优化，提高聚光均匀度。图１分区多焦点叠加法原理图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｓｕｂ－ｒｅｇｉｏｎｍｕｌｔｉ－ｆｏｃｕｓｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ２．２透镜结构设计图２缺角等腰直角三角形ＨＩＥＦ单元菲涅耳透镜示意图Ｆｉｇ．２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆａｎｇｌｅ－ｍｉｓｓｉｎｇｉｓｏｓｃｅｌｅｓｒｉｇｈｔｔｒｉａｎｇｌｅＨＩＥＦｃｅｌｌＦｒｅｓｎｅｌｌｅｎｓ图３分区域四焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅耳透镜结构图Ｆｉｇ．３ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆＦｒｅｓｎｅｌＬｅｎｓｕｎｉｆｏｒｍｌｙｆｏｃｕｓｉｎｇｓｑｕａｒｅｓｐｏｔｂｙｓｕｂ

示意图,缺角,菲涅耳透镜,等腰直角三角形

聚焦各焦点，ｆ为透镜焦距。入射到透镜表面的光线，经透镜作用之后在焦平面上形成多个环状光斑，由于减少了直接在焦平面中心区域上聚焦的光线数量，焦平面中心区域聚集的能量减少，外围能量增加，中心辐照度峰值降低，焦平面辐照度分布均匀性得以改善。通过调整透镜面区域划分方式改变各区域的焦点位置，对焦平面辐照度分布均匀性进行优化，提高聚光均匀度。图１分区多焦点叠加法原理图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｓｕｂ－ｒｅｇｉｏｎｍｕｌｔｉ－ｆｏｃｕｓｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ２．２透镜结构设计图２缺角等腰直角三角形ＨＩＥＦ单元菲涅耳透镜示意图Ｆｉｇ．２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆａｎｇｌｅ－ｍｉｓｓｉｎｇｉｓｏｓｃｅｌｅｓｒｉｇｈｔｔｒｉａｎｇｌｅＨＩＥＦｃｅｌｌＦｒｅｓｎｅｌｌｅｎｓ图３分区域四焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅耳透镜结构图Ｆｉｇ．３ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆＦｒｅｓｎｅｌＬｅｎｓｕｎｉｆｏｒｍｌｙｆｏｃｕｓｉｎｇｓｑｕａｒｅｓｐｏｔｂｙｓｕｂ－ｒｅｇｉｏｎｆｏｕｒ－ｆｏｃｕｓｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ考虑到所设计的聚焦光斑形状为方形，设计时在传统点聚焦菲涅耳透镜的基础上先用过菲涅耳透镜同心环带中心的ＡＢ、ＣＤ两条直线将透镜划分为四个象限，如图２所示，设ＡＢ交第二环带于Ｇ点，ＣＤ交第二环带于Ｅ、Ｆ点，则得到等腰直角三角形ＥＦＧ；再反向延长ＥＧ、ＥＦ分别交最外环带于Ｈ、Ｉ，连接Ｅ、Ｆ、Ｉ、Ｈ得到缺角等腰直角三角形ＨＩＥＦ，ＥＦ为缺角弦长，ＥＨ为腰长；沿着图２中的红色实线将缺角等腰直角三角形ＨＩＥＦ从菲涅耳透镜上裁剪下来得到缺
【作者单位】：陕西科技大学电气与信息工程学院;西安科技大学电气与控制工程学院;
【基金】：2015年陕西省科学技术研究发展计划项目(2015GY081)
【分类号】：TH74;TM615

【相似文献】