【摘要】：針對傳統(tǒng)點聚焦菲涅耳透鏡聚光分布均勻性較差以及聚焦光斑形狀與太陽能電池片不匹配的缺點,提出了一種分區(qū)多焦點疊加方形光斑均勻聚光菲涅耳透鏡的設計方法。在傳統(tǒng)圓形同心環(huán)帶點聚集菲涅耳透鏡的基礎上截取4個缺角等腰直角三角形菲涅耳透鏡單元,做無縫拼接形成分區(qū)域四焦點疊加的方形光斑均勻聚光菲涅耳透鏡,通過這4個區(qū)域光的疊加有效改善了聚光的均勻度�；诠饩�追跡法,采用TracePro光線模擬軟件模擬并分析了環(huán)距、缺角弦長、腰長等透鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)對聚焦光斑形狀、聚光均勻度、輻照度等光學性能參數(shù)的影響。結(jié)果表明采用該方法設計的透鏡聚焦光斑形狀為方形,聚光均勻度高達90%以上。
【圖文】：

太陽能電池片的形狀不匹配，也使得太陽能的利用效率普遍偏低［２－５］。為此，提出一種分區(qū)域多焦點疊加的方形光斑均勻聚光菲涅耳透鏡設計方法，通過優(yōu)化透鏡參數(shù)，改善了聚光分布均勻性，從而提高了太陽能聚光系統(tǒng)的整體效率。２透鏡設計２．１設計原理改善傳統(tǒng)點聚焦菲涅耳透鏡焦平面輻照度分布的不均勻性，關鍵在于降低焦平面中心峰值［６－９］。從改變傳統(tǒng)菲涅耳透鏡單一焦點的設計思路出發(fā)，將傳統(tǒng)圓形同心環(huán)帶點聚集菲涅耳透鏡的透鏡面按照環(huán)帶半徑劃分為若干個區(qū)域，不同區(qū)域設置不同焦點，如圖１所示，圖中αｊ為透鏡環(huán)帶傾角，ｒｊ為環(huán)帶半徑，，ｓｉ為透鏡聚焦各焦點，ｆ為透鏡焦距。入射到透鏡表面的光線，經(jīng)透鏡作用之后在焦平面上形成多個環(huán)狀光斑，由于減少了直接在焦平面中心區(qū)域上聚焦的光線數(shù)量，焦平面中心區(qū)域聚集的能量減少，外圍能量增加，中心輻照度峰值降低，焦平面輻照度分布均勻性得以改善。通過調(diào)整透鏡面區(qū)域劃分方式改變各區(qū)域的焦點位置，對焦平面輻照度分布均勻性進行優(yōu)化，提高聚光均勻度。圖１分區(qū)多焦點疊加法原理圖Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｓｕｂ－ｒｅｇｉｏｎｍｕｌｔｉ－ｆｏｃｕｓｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ２．２透鏡結(jié)構(gòu)設計圖２缺角等腰直角三角形ＨＩＥＦ單元菲涅耳透鏡示意圖Ｆｉｇ．２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆａｎｇｌｅ－ｍｉｓｓｉｎｇｉｓｏｓｃｅｌｅｓｒｉｇｈｔｔｒｉａｎｇｌｅＨＩＥＦｃｅｌｌＦｒｅｓｎｅｌｌｅｎｓ圖３分區(qū)域四焦點疊加方形光斑均勻聚光菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)圖Ｆｉｇ．３ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆＦｒｅｓｎｅｌＬｅｎｓｕｎｉｆｏｒｍｌｙｆｏｃｕｓｉｎｇｓｑｕａｒｅｓｐｏｔｂｙｓｕｂ

聚焦各焦點，ｆ為透鏡焦距。入射到透鏡表面的光線，經(jīng)透鏡作用之后在焦平面上形成多個環(huán)狀光斑，由于減少了直接在焦平面中心區(qū)域上聚焦的光線數(shù)量，焦平面中心區(qū)域聚集的能量減少，外圍能量增加，中心輻照度峰值降低，焦平面輻照度分布均勻性得以改善。通過調(diào)整透鏡面區(qū)域劃分方式改變各區(qū)域的焦點位置，對焦平面輻照度分布均勻性進行優(yōu)化，提高聚光均勻度。圖１分區(qū)多焦點疊加法原理圖Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｓｕｂ－ｒｅｇｉｏｎｍｕｌｔｉ－ｆｏｃｕｓｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ２．２透鏡結(jié)構(gòu)設計圖２缺角等腰直角三角形ＨＩＥＦ單元菲涅耳透鏡示意圖Ｆｉｇ．２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆａｎｇｌｅ－ｍｉｓｓｉｎｇｉｓｏｓｃｅｌｅｓｒｉｇｈｔｔｒｉａｎｇｌｅＨＩＥＦｃｅｌｌＦｒｅｓｎｅｌｌｅｎｓ圖３分區(qū)域四焦點疊加方形光斑均勻聚光菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)圖Ｆｉｇ．３ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆＦｒｅｓｎｅｌＬｅｎｓｕｎｉｆｏｒｍｌｙｆｏｃｕｓｉｎｇｓｑｕａｒｅｓｐｏｔｂｙｓｕｂ－ｒｅｇｉｏｎｆｏｕｒ－ｆｏｃｕｓｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ考慮到所設計的聚焦光斑形狀為方形，設計時在傳統(tǒng)點聚焦菲涅耳透鏡的基礎上先用過菲涅耳透鏡同心環(huán)帶中心的ＡＢ、ＣＤ兩條直線將透鏡劃分為四個象限，如圖２所示，設ＡＢ交第二環(huán)帶于Ｇ點，ＣＤ交第二環(huán)帶于Ｅ、Ｆ點，則得到等腰直角三角形ＥＦＧ；再反向延長ＥＧ、ＥＦ分別交最外環(huán)帶于Ｈ、Ｉ，連接Ｅ、Ｆ、Ｉ、Ｈ得到缺角等腰直角三角形ＨＩＥＦ，ＥＦ為缺角弦長，ＥＨ為腰長；沿著圖２中的紅色實線將缺角等腰直角三角形ＨＩＥＦ從菲涅耳透鏡上裁剪下來得到缺
【作者單位】： 陜西科技大學電氣與信息工程學院;西安科技大學電氣與控制工程學院;
【基金】：2015年陜西省科學技術研究發(fā)展計劃項目(2015GY081)
【分類號】：TH74;TM615

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本文編號：2539449