一種基于分段式等光強(qiáng)的雙層聚光透鏡及其設(shè)計(jì)方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于分段式等光強(qiáng)的雙層聚光透鏡，其包括第一層聚光透鏡和第二層聚光透鏡，兩層聚光透鏡均為水平設(shè)置，兩層聚光透鏡均由首尾相連的若干段聚光透鏡組成，兩層聚光透鏡的中間段聚光透鏡均不設(shè)內(nèi)牙，第一層聚光透鏡除中間段以外其他所有段聚光透鏡內(nèi)表面設(shè)有用于使光線等光強(qiáng)且平行射入至第二層聚光透鏡上的多個(gè)第一內(nèi)牙，第二層聚光透鏡除中間段以外其他所有段聚光透鏡內(nèi)表面設(shè)有用于使整個(gè)雙層聚光透鏡產(chǎn)生等光強(qiáng)的光斑的多個(gè)第二內(nèi)牙。本發(fā)明專利技術(shù)還公開了前述雙層聚光透鏡的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明專利技術(shù)避免了光伏板局部受熱不均勻的弊端，且聚光能力和聚光均勻性佳，還降低了透鏡的框架高度，具有很好的抗風(fēng)效果。

Double layer condensing lens based on sectional type equal intensity of light and design method thereof

The invention discloses a double lens type segmentation based on light intensity, which comprises a first lens layer and second layer two layer condenser lens, condensing lens are arranged horizontally, two layers are composed of several segments of the condenser lens lens end to end, the middle section of the two lens lens layers are not set in the first layer of teeth, except the middle section outside the lens of all other section of inner surface of a condensing lens for light intensity and a plurality of first inner teeth into parallel to the second layer second layer condenser lens, condensing lens except outside its middle section of all his section of inner surface of a condensing lens for the double lens production more than second light spot within the tooth. The invention also discloses the design method of the double layer condensing lens. The invention avoids the disadvantage that the local heating of the photovoltaic plate is uneven, and the concentrating power and the concentration uniformity are good, and the frame height of the lens is reduced, and the wind resistant effect is very good.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種基于分段式等光強(qiáng)的雙層聚光透鏡及其設(shè)計(jì)方法
本專利技術(shù)涉及聚光透鏡
，特別涉及一種基于分段式等光強(qiáng)的雙層聚光透鏡及其設(shè)計(jì)方法。
技術(shù)介紹
近年來，隨著能源危機(jī)的日益加重，人類迫切地需要一種清潔能源來緩解現(xiàn)今面臨的能源危機(jī)，但是由于技術(shù)的限制，作為重點(diǎn)研究的太陽能能源的實(shí)際利用量只為世界總發(fā)電電量的0.1％，相當(dāng)于地面一小時(shí)能接受日光輔照總能量(4.3×1020J)。由此可見，太陽能利用依舊存在非常巨大的拓展空間，而在太陽能能源利用中具有重要研究意義的一項(xiàng)工作便是太陽能廉價(jià)發(fā)電。采用聚光方法可以克服太陽能能流密度低的缺點(diǎn)，提高太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率，并且降低成本，而運(yùn)用菲涅爾透鏡聚光正是一種廉價(jià)的聚光方法。在上世紀(jì)70年代，美國(guó)NASA便對(duì)菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)方法和透鏡透過率等方面進(jìn)行了詳細(xì)的描述，為以后各國(guó)的研究提供了方向性的指引。Kritchman在1979年為提高菲涅爾透鏡的光學(xué)效率與聚光倍速這兩方面性能，在大量的實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上研制出了聚光曲面線聚焦菲涅爾透鏡。法國(guó)物理學(xué)家AugustionJeanFresnel于1822年研究專利技術(shù)的菲涅爾透鏡，在菲涅爾透鏡表面主要采用多個(gè)同軸排列或平行排列的棱鏡序列，區(qū)別于傳統(tǒng)的球面或非球面透鏡，該透鏡以不連續(xù)曲面取代了傳統(tǒng)透鏡的連續(xù)球面，在此改進(jìn)上，菲涅爾透鏡的結(jié)構(gòu)趨向于簡(jiǎn)便且易于制造，對(duì)比一般透鏡，在重量和體積上更是有了突破性的進(jìn)展，在設(shè)計(jì)上更是能夠獲取更大的聚焦比和孔徑。由于以往制作工藝上光學(xué)設(shè)計(jì)與加工技術(shù)的限制，最初的菲涅爾透鏡采用的是棱鏡序列，從光學(xué)原理的角度分析，棱鏡序列是不能將光聚焦在一點(diǎn)上，因而這種類型的菲涅爾透鏡存在光斑很大，光斑溫度低和光斑能量不均勻等問題。在聚光分布不均的問題上，國(guó)內(nèi)外許多研究人員提出了不同的解決方案，但其本質(zhì)上都是通過對(duì)聚光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)來提高聚光分布飛均勻性。單層菲涅爾透鏡均勻聚焦系統(tǒng)便是其中的一類，單層菲涅爾透鏡均勻聚焦系統(tǒng)通過直接改變菲涅爾透鏡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，獲得新型透鏡結(jié)構(gòu)，達(dá)到改善聚光分布均勻的目的。但在現(xiàn)今的單層菲涅爾透鏡均勻聚光系統(tǒng)中，存在只適用于中低倍聚光系統(tǒng)且實(shí)用性差的問題。因此，高倍的菲涅爾透鏡均勻聚光系統(tǒng)的研究具有十分重要的意義，研究出一種等光強(qiáng)聚焦的菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)原理，并使用雙層菲涅爾透鏡均勻聚焦系統(tǒng)，優(yōu)化菲涅爾透鏡的聚光效果，有效地提高光能轉(zhuǎn)換效率，顯得十分迫切。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種基于分段式等光強(qiáng)的雙層聚光透鏡，其為雙層菲涅爾聚光透鏡，其中第一層聚光透鏡可實(shí)現(xiàn)使光線等光強(qiáng)且平行射入至第二層聚光透鏡，第二層聚光透鏡可實(shí)現(xiàn)使整個(gè)雙層聚光透鏡產(chǎn)生等光強(qiáng)的光斑且光線密集分布于光伏板上所有位置，避免了光伏板局部受熱不均勻的弊端，聚光能力和聚光均勻性佳，還降低了透鏡的框架高度，具有很好的抗風(fēng)效果。本專利技術(shù)的另一目的在于，提供一種前述基于分段式等光強(qiáng)的雙層聚光透鏡的設(shè)計(jì)方法。本專利技術(shù)為達(dá)到上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種基于分段式等光強(qiáng)的雙層聚光透鏡，其包括第一層聚光透鏡和設(shè)于第一層聚光透鏡下方的第二層聚光透鏡，所述第一層聚光透鏡和第二聚光透鏡均為水平設(shè)置，所述第一層聚光透鏡和第二層聚光透鏡均由首尾相連的若干段聚光透鏡組成，所述第一層聚光透鏡和第二層聚光透鏡的中間段聚光透鏡均不設(shè)內(nèi)牙，所述的第一層聚光透鏡除中間段以外其他所有段聚光透鏡內(nèi)表面設(shè)有用于使光線等光強(qiáng)且平行射入至第二層聚光透鏡上的多個(gè)第一內(nèi)牙，所述的第二層聚光透鏡除中間段以外其他所有段聚光透鏡內(nèi)表面設(shè)有用于使整個(gè)雙層聚光透鏡產(chǎn)生等光強(qiáng)的光斑且光線密集分布于光伏板上所有位置的多個(gè)第二內(nèi)牙。進(jìn)一步地，所述的第一層聚光透鏡與第二層聚光透鏡的中間段聚光透鏡的長(zhǎng)度均等于所述光伏板的長(zhǎng)度。進(jìn)一步地，所述的第一層聚光透鏡上的多個(gè)第一內(nèi)牙的大小形狀均相同。進(jìn)一步地，所述的第二層聚光透鏡上的多個(gè)第二內(nèi)牙的高度相等，且所述多個(gè)第二內(nèi)牙均根據(jù)所述第一層聚光透鏡入射到第二層聚光透鏡的光線的斜率及該光線的入射角與折射角進(jìn)行設(shè)置。進(jìn)一步地，所述的第一層聚光透鏡的總長(zhǎng)度為L(zhǎng)＝(N+1)·d，其中N是長(zhǎng)度均為d的聚光透鏡的數(shù)目，以確保光線射入到第二層聚光透鏡上。進(jìn)一步地，所述的第一層聚光透鏡的每個(gè)內(nèi)牙的相距長(zhǎng)度為其中，H1為第一層聚光透鏡的總高度，Hb為第一層聚光透鏡的基面厚度，k0*為第一層聚光透鏡內(nèi)牙右邊沿的斜率，且k0*＝tanβ0′，β0′為光線在第一層聚光透鏡的內(nèi)牙上的入射角。進(jìn)一步地，當(dāng)光線垂直入射到所述第一層聚光透鏡上后該光線在第一層聚光透鏡的內(nèi)牙上的入射角β0′和出射角α0′滿足以下方程：其中β0為光線從所述第一層聚光透鏡入射至所述第二層聚光透鏡上的入射角，且n為透鏡材料的折射率，為確保光線從所述第一層聚光透鏡的內(nèi)牙上入射到所述第二層聚光透鏡上時(shí)不發(fā)生反射，根據(jù)光的折射定律，入射角β0′滿足入射角β0最終滿足光線的斜率kr滿足且均相同。進(jìn)一步地，所述的第一層聚光透鏡與第二層聚光透鏡均為菲涅爾透鏡。進(jìn)一步地，所述第一層聚光透鏡將光線等光強(qiáng)地入射到所述第二層聚光透鏡的每一段聚光透鏡上，光線經(jīng)所述第二層聚光透鏡上的內(nèi)牙的折射，最終光線分布落在所述光伏板上且形成的光斑的長(zhǎng)度為：其中，l1為內(nèi)牙的長(zhǎng)度，k1為出射光線的斜率，H2為第二層聚光透鏡的內(nèi)牙的左邊長(zhǎng)度，Hb為第二層聚光透鏡的基面厚度，Hc為第二層聚光透鏡的內(nèi)牙與下一個(gè)相鄰的透鏡內(nèi)牙的接觸長(zhǎng)度，H為第二層聚光透鏡的總高度。一種前述的基于分段式等光強(qiáng)的雙層聚光透鏡的設(shè)計(jì)方法，其包括以下步驟：(1)統(tǒng)一設(shè)置從第一層聚光透鏡入射到第二層聚光透鏡的光線的斜率kr相同，任取入射角β0，且滿足(2)根據(jù)入射角β0，得出光線在透鏡內(nèi)牙上的入射角β0′和出射角α0′，且滿足以下方程：其中，n為透鏡材料的折射率，為確保光線從第一層聚光透鏡的內(nèi)牙上入射到第二層聚光透鏡上而不發(fā)生反射，根據(jù)光的折射定律，入射角β0′滿足則β0最終滿足光線的斜率為(3)根據(jù)入射角β0設(shè)計(jì)第一層聚光透鏡，具體步驟如下：(301)首先第一層聚光透鏡的中間段聚光透鏡不設(shè)計(jì)內(nèi)牙，定義該段聚光透鏡為第0段聚光透鏡，且初始化該段聚光透鏡的長(zhǎng)度等于光伏板的長(zhǎng)度，均為d；除該段以外的聚光透鏡也均為水平，且都設(shè)置有大小形狀相同的內(nèi)牙，以保證光線等光強(qiáng)且平行射入第二層聚光透鏡上；初始化第一層聚光透鏡的總長(zhǎng)度為L(zhǎng)＝(N+1)·d，其中，N為長(zhǎng)度為d的透鏡的數(shù)目，以確保光線能射入到第二層聚光透鏡上；(302)對(duì)于第一層聚光透鏡的所有內(nèi)牙，第i個(gè)牙的左上邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)為(Xi1,Yi1)，根據(jù)第一層聚光透鏡的總高度H1，確定透鏡內(nèi)牙尖端點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)(Xi1′,Yi1′)，由于光線是垂直入射到第一層聚光透鏡上的，由光的折射定理可知，存在以下關(guān)系：Xi1′＝Xi1,Yi1′＝Y(jié)i1-Hi1；(303)根據(jù)入射角β0′、第一層聚光透鏡的總高度H1和第一層聚光透鏡基面厚度Hb，可得出該層透鏡的內(nèi)牙右邊沿的斜率為k0*＝tanβ0′、每個(gè)牙的相距長(zhǎng)度為其中k0*為該層透鏡的內(nèi)牙右邊沿的斜率，從而得到該層透鏡的內(nèi)牙的右上邊緣點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)為：右下邊緣點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)為：(304)以根據(jù)步驟(303)完成設(shè)計(jì)的第一層聚光透鏡的內(nèi)牙的右上邊緣點(diǎn)(Xi2,Y本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于分段式等光強(qiáng)的雙層聚光透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)統(tǒng)一設(shè)置從第一層聚光透鏡入射到第二層聚光透鏡的光線的斜率k

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于分段式等光強(qiáng)的雙層聚光透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)統(tǒng)一設(shè)置從第一層聚光透鏡入射到第二層聚光透鏡的光線的斜率kr相同，任取入射角β0，且滿足(2)根據(jù)入射角β0，得出光線在透鏡內(nèi)牙上的入射角β0′和出射角α0′，且滿足以下方程：其中，n為透鏡材料的折射率，為確保光線從第一層聚光透鏡的內(nèi)牙上入射到第二層聚光透鏡上而不發(fā)生反射，根據(jù)光的折射定律，入射角β0′滿足則β0最終滿足光線的斜率為(3)根據(jù)入射角β0設(shè)計(jì)第一層聚光透鏡，具體步驟如下：(301)首先第一層聚光透鏡的中間段聚光透鏡不設(shè)計(jì)內(nèi)牙，定義該段聚光透鏡為第0段聚光透鏡，且初始化該段聚光透鏡的長(zhǎng)度等于光伏板的長(zhǎng)度，均為d；除該段以外的聚光透鏡也均為水平，且都設(shè)置有大小形狀相同的內(nèi)牙，以保證光線等光強(qiáng)且平行射入第二層聚光透鏡上；初始化第一層聚光透鏡的總長(zhǎng)度為L(zhǎng)＝(N+1)·d，其中，N為長(zhǎng)度為d的透鏡的數(shù)目，以確保光線能射入到第二層聚光透鏡上；(302)對(duì)于第一層聚光透鏡的所有內(nèi)牙，第i個(gè)牙的左上邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)為(Xi1,Yi1)，根據(jù)第一層聚光透鏡的總高度H1，確定透鏡內(nèi)牙尖端點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)(Xi1′,Yi1′)，由于光線是垂直入射到第一層聚光透鏡上的，由光的折射定理可知，存在以下關(guān)系：Xi1′＝Xi1,Yi1′＝Y(jié)i1-Hi1；(303)根據(jù)入射角β0′、第一層聚光透鏡的總高度H1和第一層聚光透鏡基面厚度Hb，可得出該層透鏡的內(nèi)牙右邊沿的斜率為k0*＝tanβ0′、每個(gè)牙的相距長(zhǎng)度為其中k0*為該層透鏡的內(nèi)牙右邊沿的斜率，從而得到該層透鏡的內(nèi)牙的右上邊緣點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)為：右下邊緣點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)為：(304)以根據(jù)步驟(303)完成設(shè)計(jì)的第一層聚光透鏡的內(nèi)牙的右上邊緣點(diǎn)(Xi2,Yi2)為下一個(gè)相接的透鏡內(nèi)牙的左上邊緣點(diǎn)，令X(i+1)2＝Xi2,Y(i+1)2＝Y(jié)i2；(305)對(duì)第一層聚光透鏡上的第i(i≥2)個(gè)內(nèi)牙而言，其左上邊緣點(diǎn)(Xi1,Yi1)設(shè)置為上一段透鏡的內(nèi)牙的右上邊緣點(diǎn)(X(i-1)2,Y(i-1)2)，即Xi1＝X(i-1)2,Yi1＝Y(jié)(i-1)2，從而確定該透鏡的內(nèi)牙尖端點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)(X′i1,Y′i1)；(306)根據(jù)每個(gè)內(nèi)牙的相距長(zhǎng)度，可知第一層聚光透鏡所有內(nèi)牙的右上邊緣點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)(Xi2,Yi2)為當(dāng)前內(nèi)牙的右下邊緣點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)(X′i2,Y′i2)為：(307)重復(fù)第(305)～(306)，不斷計(jì)算得到第一層聚光透鏡的所有內(nèi)牙，直至達(dá)到該層聚光透鏡的總長(zhǎng)度L，則停止計(jì)算，從而得出第一層聚光透鏡的待測(cè)半徑長(zhǎng)度，此時(shí)第一層聚光透鏡的所有透鏡的內(nèi)牙均設(shè)計(jì)完成；(4)根據(jù)入射角β0設(shè)計(jì)第二層聚光透鏡，具體設(shè)計(jì)步驟如下：第二層聚光透鏡的中間段聚光透鏡不設(shè)計(jì)內(nèi)牙，同樣定義該段聚光透鏡為第0段聚光透鏡，且初始化該段透鏡長(zhǎng)度等于光伏板長(zhǎng)度，均為d；除該段以外的聚光透鏡也均為水平，且都根據(jù)從第一層聚光透鏡入射到第二層聚光透鏡的光線設(shè)置第二層聚光透鏡的每一段聚光透鏡的內(nèi)牙，根據(jù)以下步驟計(jì)算第二層聚光透鏡的相關(guān)參數(shù)：(401)首先對(duì)于第二層聚光透鏡的第i(i≥1)段聚光透鏡的第j(j≥1)個(gè)內(nèi)牙，第一層聚光透鏡以斜率kr將光線等光強(qiáng)地入射到第二層聚光透鏡每一段聚光透鏡上，當(dāng)光線進(jìn)入透鏡時(shí)，入射角為β0，根據(jù)折射定律可計(jì)算發(fā)生第一次折射時(shí)的折射角α0；(402)對(duì)于第二層聚光透鏡的第一段聚光透鏡的第一個(gè)內(nèi)牙，左上邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)為(x1,y1)，根據(jù)透鏡的內(nèi)牙的左邊長(zhǎng)度H2和光線入射角β1以及折射角α1，確定透鏡內(nèi)牙的尖端點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)為：同時(shí)確定透鏡內(nèi)牙的右邊頂角的角度滿足以下方程：其中，n為透鏡材料的折射率，該透鏡內(nèi)牙右邊沿的斜率為該透鏡的內(nèi)牙的右邊沿延長(zhǎng)線與該透鏡上表面延長(zhǎng)線的交點(diǎn)為(x4,y4)，聚光透鏡基面厚度為Hb，為保證透鏡內(nèi)牙的厚度，確定該透鏡內(nèi)牙與下一個(gè)相鄰的透鏡內(nèi)牙的接觸長(zhǎng)度Hc，該透鏡內(nèi)牙的右上邊緣點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)(x2,y2)為：該內(nèi)牙的右下邊緣點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)(x′2,y′2)為：(403)以步驟(402)完成設(shè)計(jì)的透鏡內(nèi)牙的右上邊緣點(diǎn)(x2,y2)為下一個(gè)相接的透鏡內(nèi)牙的左上邊緣點(diǎn)，令x12＝x2,y12＝y(tǒng)2；根據(jù)內(nèi)牙左上邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)為(x1,y1)、右上邊緣點(diǎn)(x2,y2)和光伏板的左端點(diǎn)(-d,0)，可知內(nèi)牙的長(zhǎng)度l1和出射光線的斜率k1，則落在光伏板上的光斑的長(zhǎng)度為：

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李弘，郭承軍，吳賀揚(yáng)，伍嘉文，曾曉南，張金喜，黃羽中，李本棟，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：東莞華南設(shè)計(jì)創(chuàng)新院，廣州數(shù)銳智能科技有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：廣東,44