專利名稱：聚光透鏡、復(fù)眼式透鏡聚光器及復(fù)眼式聚光太陽電池組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聚光光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域中用于將太陽光匯聚并投射到光伏電池上的 聚光透鏡及復(fù)眼式透鏡聚光器；本發(fā)明還涉及一種基于上述聚光透鏡和復(fù)眼式透鏡聚光器 的復(fù)眼式聚光太陽電池組件。
背景技術(shù)：
聚光光伏發(fā)電技術(shù)是公認(rèn)的可降低光伏發(fā)電成本的有效途徑。目前，一個(gè)完整的 聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括復(fù)眼式聚光太陽電池組件、太陽跟蹤器、電能存儲(chǔ)或逆變?cè)O(shè)備 等幾部分。復(fù)眼式聚光太陽電池組件作為光電轉(zhuǎn)換部件，主要由復(fù)眼式透鏡聚光器和安裝 有光伏電池晶片的電路板所組成。其中，復(fù)眼式透鏡聚光器包括多塊平面陣列的聚光透鏡。使用時(shí)通過太陽跟蹤器 使聚光透鏡基本正對(duì)陽光照射方向，然后通過這些聚光透鏡分別將太陽光匯聚并投射到電 路板上與各個(gè)聚光透鏡相對(duì)應(yīng)的光伏電池晶片的接收面上，從而使各個(gè)光伏電池晶片中產(chǎn) 生電流，這些電流通過電路板上的線路輸出。公開號(hào)為CN101640502A的發(fā)明專利申請(qǐng)文件所公開的聚光太陽電池組件極具代 表性。該電池組件中采用的點(diǎn)聚光菲涅爾透鏡已成為業(yè)界公認(rèn)的聚光透鏡的最佳選折。仍 有許多公開了采用聚光菲涅爾透鏡作聚光透鏡的聚光光伏發(fā)電技術(shù)的參考文獻(xiàn)，在此不再 贅述。實(shí)際上，采用菲涅爾透鏡并非沒有缺憾。比如，由于菲涅爾透鏡表面紋路的加工缺 陷，會(huì)造成一部分入射光線的損失，導(dǎo)致光線透過率僅處于75%左右的較低水平上；而且 這種加工缺陷又是以目前的加工技術(shù)所難以克服的。又如，菲涅爾透鏡可看成由多個(gè)同光 軸凸透鏡的組合，故其聚光后光斑能量分布不夠均勻。采用普遍使用的球面凸透鏡替代菲涅爾透鏡可解決光線透過率較低的問題。然 而，球面凸透鏡只能將光線集中于該透鏡的焦點(diǎn)，因此無論將光伏電池晶片安裝在其焦點(diǎn) 略靠前或靠后的位置，都會(huì)造成電池晶片接收面的中心與周邊的光斑能量分布不均，致使 電池內(nèi)部產(chǎn)生電勢(shì)差，進(jìn)而形成內(nèi)部電流，這一部分電流會(huì)在電池內(nèi)部消耗掉，減小了電池 輸出功率；另外，內(nèi)部電流的產(chǎn)生也是電池內(nèi)部的溫度升高的重要原因，而電池內(nèi)部溫度升 高又使得聚光太陽電池組件的效率下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是提供一種既具有較高的透過率又能夠保證聚光后光 斑能量分布較為均勻的聚光透鏡，并提供一種使用該聚光透鏡的復(fù)眼式透鏡聚光器。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種聚光透鏡，該透鏡為一塊可將 相互平行的入射光線折射到一個(gè)位于該透鏡外側(cè)的接收面上進(jìn)而形成光斑的凸透鏡，若設(shè) 其中任意一條入射光線和所述透鏡的接觸點(diǎn)與該透鏡光軸之間的垂直距離為X，該入射光 線經(jīng)透鏡折射到所述接收面上后形成的投影點(diǎn)與所述光斑中心的垂直距離為m，并且 透鏡的半徑為a，所述光斑的半徑為b，則該透鏡滿足以下條件，即X/m = a/b。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，該透鏡具有以其光軸為旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)凸面以及與 該旋轉(zhuǎn)凸面相對(duì)的端平面，該旋轉(zhuǎn)凸面與任意一個(gè)通過該透鏡光軸的縱截面的交線為一條 可使該縱截面上沿透鏡徑向分布并與其光軸平行的入射光線折射到所述接收面上形成投 影直線的曲線，將該曲線反映在其所在縱截面上并以所述端平面的中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的平 面坐標(biāo)系中的曲線方程為其中，系數(shù)h為所述端平面與接收面之間的直線距離；系數(shù)a為所述透鏡的半徑； 系數(shù)b為所述投影直線的長(zhǎng)；系數(shù)η為透鏡折射率；變量χ為所述曲線上任意一點(diǎn)與透鏡光 軸之間的橫向距離，變量y為該點(diǎn)與端平面之間的縱向距離。必須指出，該曲線方程的獲得并不是申請(qǐng)人在現(xiàn)有技術(shù)的啟示下進(jìn)行有限次實(shí)驗(yàn) 就能夠得到的。實(shí)際上，該曲線方程的獲得是基于申請(qǐng)人創(chuàng)造性的認(rèn)識(shí)到，要使聚光后光斑 能量分布均勻的一個(gè)較好辦法，是通過透鏡的旋轉(zhuǎn)凸面將光線等比例壓縮到接收面上。也 就是說，當(dāng)入射光線經(jīng)過所述曲線上的任意一點(diǎn)折射到接收面上以后，該點(diǎn)在曲線方程上 的橫坐標(biāo)χ與接收面上的投影點(diǎn)距透鏡光軸的橫向間距m之間的比值，應(yīng)該等于所述透鏡 的半徑a與所述投影直線半長(zhǎng)b之間的比值，即X/m = a/b。根據(jù)已知的透鏡折射規(guī)律并結(jié) 合上面的等式，可得到下面一組方程x/m = a/b..........................(1)sin( θ ) = nsin(^ ).................(2)x-m = (h-y) tan ( β - θ )..............(3)其中，變量“ θ ”和“ β ”分別表示光線經(jīng)過所述曲線時(shí)的入射角大小和折射角大 小。其余系數(shù)及變量的含義均已在上面進(jìn)行了解釋。在上述方程組的基礎(chǔ)上，經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo) 可得到上述曲線方程。該曲線方程所決定的旋轉(zhuǎn)凸面的形狀完全能夠在產(chǎn)業(yè)上得以實(shí)現(xiàn)。由于現(xiàn)有透鏡 通常采用模壓的方式成型，成型后旋轉(zhuǎn)凸面的形狀通過成型模具來控制。在模具設(shè)計(jì)過程 中，只要將上述曲線方程輸入模具設(shè)計(jì)軟件，即能夠生成曲線再旋轉(zhuǎn)形成旋轉(zhuǎn)凸面的理論 數(shù)模；在模具制造過程中通過數(shù)控機(jī)床就能夠加工出相應(yīng)的模具型腔。申請(qǐng)人:還需要指出的是，上面所公開的具有所述特殊曲線方程的聚光透鏡僅僅是 本發(fā)明所要保護(hù)的聚光透鏡中的一個(gè)實(shí)例而已。實(shí)際上，這個(gè)具有所述特殊曲線方程的聚 光透鏡是一個(gè)平凸透鏡，因此與該透鏡光軸平行的入射光線僅由該透鏡的旋轉(zhuǎn)凸面進(jìn)行一 次折射，故任意一條入射光線和所述透鏡的接觸點(diǎn)與光軸之間的垂直距離就是該入射光線 經(jīng)過所述曲線上的其中一點(diǎn)在曲線方程上的橫坐標(biāo)X;這些平行的入射光線經(jīng)該透鏡折射
權(quán)利要求
一種聚光透鏡，該透鏡為一塊可將相互平行的入射光線(3)折射到一個(gè)位于該透鏡外側(cè)的接收面(4)上進(jìn)而形成光斑的凸透鏡，其特征在于若設(shè)其中任意一條入射光線(3)和所述透鏡的接觸點(diǎn)與該透鏡光軸(103)之間的垂直距離為x，該入射光線(3)經(jīng)透鏡折射到所述接收面(4)上后形成的投影點(diǎn)與所述光斑中心的垂直距離為m，并且該透鏡的半徑為a，所述光斑的半徑為b，則該透鏡滿足以下條件，即x/m＝a/b。
2.如權(quán)利要求1所述的聚光透鏡，其特征在于該透鏡具有以其光軸(103)為旋轉(zhuǎn)軸 的旋轉(zhuǎn)凸面(101)以及與該旋轉(zhuǎn)凸面(101)相對(duì)的端平面(102)，該旋轉(zhuǎn)凸面(101)與任 意一個(gè)通過該透鏡光軸(103)的縱截面(2)的交線為一條可使該縱截面(2)上沿透鏡徑向 分布并與其光軸(103)平行的入射光線(3)折射到所述接收面(4)上形成投影直線的曲線 (104)，將該曲線(104)反映在其所在縱截面(2)上以所述端平面(102)的中心點(diǎn)為坐標(biāo)原 點(diǎn)(A)的平面坐標(biāo)系中的曲線方程為
3.如權(quán)利要求2所述的聚光透鏡，其特征在于該透鏡的周邊被截成具有至少三個(gè)柱 面(105)的多邊形結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求3所述的聚光透鏡，其特征在于該透鏡的周邊被截成具有四個(gè)柱面 (105)的四邊形結(jié)構(gòu)，其中相鄰柱面(105)之間相互垂直。
5.復(fù)眼式透鏡聚光器，包括多塊平面陣列的聚光透鏡(1)，所述各透鏡為一塊可將相 互平行的入射光線(3)折射到一個(gè)位于該透鏡外側(cè)的接收面(4)上進(jìn)而形成光斑的凸透 鏡，其特征在于若設(shè)其中任意一條入射光線(3)和所述透鏡的接觸點(diǎn)與該透鏡光軸(103) 之間的垂直距離為X，該入射光線(3)經(jīng)透鏡折射到所述接收面(4)上后形成的投影點(diǎn)與所 述光斑中心的垂直距離為m，并且該透鏡的半徑為a，所述光斑的半徑為b，則該透鏡滿足以 下條件，即x/m = a/b。
6.如權(quán)利要求5所述的復(fù)眼式透鏡聚光器，其特征在于所述各聚光透鏡(1)具有以 透鏡光軸(103)為旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)凸面(101)以及與該旋轉(zhuǎn)凸面(101)相對(duì)的端平面(102)， 該旋轉(zhuǎn)凸面(101)與任意一個(gè)通過該透鏡光軸(103)的縱截面(2)的交線為一條可使該縱 截面(2)上沿透鏡徑向分布并與其光軸(103)平行的入射光線(3)折射到所述接收面(4) 上形成投影直線的曲線(104)，將該曲線(104)反映在其所在縱截面(2)上并以所述端平面 (102)的中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)(A)的平面坐標(biāo)系中的曲線方程為
7.如權(quán)利要求6所述的復(fù)眼式透鏡聚光器，其特征在于各聚光透鏡(1)的周邊被截 成具有至少三個(gè)柱面(105)的多邊形結(jié)構(gòu)；該復(fù)眼式透鏡聚光器中任意相鄰聚光透鏡(1) 之間通過兩透鏡相對(duì)的柱面(105)粘接。
8.如權(quán)利要求7所述的復(fù)眼式透鏡聚光器，其特征在于各聚光透鏡(1)的周邊被截 成具有四個(gè)柱面(105)的四邊形結(jié)構(gòu)，其中相鄰柱面(105)之間相互垂直；該復(fù)眼式透鏡聚 光器中任意相鄰聚光透鏡(1)之間通過兩透鏡相對(duì)的柱面(105)粘接進(jìn)而使該復(fù)眼式透鏡 聚光器中的各聚光透鏡(1)呈矩形陣列。
9.復(fù)眼式聚光太陽電池組件，該組件是由復(fù)眼式透鏡聚光器(5)和安裝有多片光伏電 池晶片(7)的電路板(6)封裝而成的一個(gè)箱型結(jié)構(gòu)，所述復(fù)眼式透鏡聚光器(5)具有多塊 平面陣列的聚光透鏡(1)，這些聚光透鏡(1)均為一塊可將相互平行的入射光線(3)折射 到一個(gè)位于該透鏡外側(cè)的接收面(4)上進(jìn)而形成光斑的凸透鏡，其特征在于若設(shè)其中任 意一條入射光線(3)和所述透鏡的接觸點(diǎn)與該透鏡光軸(103)之間的垂直距離為X，該入 射光線(3)經(jīng)透鏡折射到所述接收面(4)上后形成的投影點(diǎn)與所述光斑中心的垂直距離為 m，并且該透鏡的半徑為a，所述光斑的半徑為b，則該透鏡滿足以下條件，即X/m = a/b。
10.如權(quán)利要求9所述的復(fù)眼式聚光太陽電池組件，其特征在于所述各聚光透鏡(1) 具有以透鏡光軸(103)為旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)凸面(101)以及與該旋轉(zhuǎn)凸面(101)相對(duì)的端平面 (102)，該旋轉(zhuǎn)凸面(101)與任意一個(gè)通過該透鏡光軸(103)的縱截面(2)的交線為一條可 使該縱截面(2)上沿透鏡徑向分布并與其光軸(103)平行的入射光線(3)折射到所述接收 面⑷上形成投影直線的曲線(104)，將該曲線(104)反映在其所在縱截面(2)上并以所述 端平面(102)的中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)(A)的平面坐標(biāo)系中的曲線方程為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種既具有較高的透過率又能夠保證聚光后光斑能量分布更為均勻的聚光透鏡，以及使用該聚光透鏡的復(fù)眼式透鏡聚光器和復(fù)眼式聚光太陽電池組件。該透鏡為一塊可將相互平行的入射光線折射到一個(gè)位于該透鏡外側(cè)的接收面上進(jìn)而形成光斑的凸透鏡，若設(shè)其中任意一條入射光線和所述透鏡的接觸點(diǎn)與該透鏡光軸之間的垂直距離為x，該入射光線經(jīng)透鏡折射到所述接收面上后形成的投影點(diǎn)與所述光斑中心的垂直距離為m，并且該透鏡的半徑為a，所述光斑的半徑為b，則該透鏡滿足以下條件，即x/m＝a/b。該聚光透鏡的透過率高達(dá)90％～93％，并且通過該聚光透鏡聚光后光斑能量分布曲線近似為“馬鞍”形。
文檔編號(hào)H02N6/00GK101943765SQ201010264040
公開日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2010年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月27日
發(fā)明者劉漢, 李向陽, 李少春, 黃忠 申請(qǐng)人:成都鐘順科技發(fā)展有限公司