本发明涉及聚光光伏发电技术领域中用于将太 阳光汇聚并投射到光伏电池上的聚光 透镜及复眼式透镜聚光器；本发明还涉及一种 基于上述聚光透镜和复眼式透镜聚光器的复 眼式聚光太阳电池组件。

背景技术

聚光光伏发电技术是公认的可降低光伏发电成 本的有效途径。 目前， 一个完整的聚光 光伏发电系统主要包括复眼式聚光太阳电池组 件、太阳跟踪器、 电能存储或逆变设备等几 部分。 复眼式聚光太阳电池组件作为光电转换部件， 主要由复眼式透镜聚光器和安装有光 伏电池晶片的电路板所组成。

其中， 复眼式透镜聚光器包括多块平面阵列的聚光透 镜。使用时通过太阳跟踪器使聚 光透镜基本正对阳光照射方向，然后通过这些 聚光透镜分别将太阳光汇聚并投射到电路板 上与各个聚光透镜相对应的光伏电池晶片的接 收面上，从而使各个光伏电池晶片中产生电 流， 这些电流通过电路板上的线路输出。

公开号为 CN101640502A的发明专利申请文件所公开的聚光太 阳电池组件极具代表 性。该电池组件中采用的点聚光菲涅尔透镜已 成为业界公认的聚光透镜的最佳选折。仍有 许多公开了采用聚光菲涅尔透镜作聚光透镜的 聚光光伏发电技术的参考文献，在此不再赘 述。

实际上，采用菲涅尔透镜并非没有缺憾。比如 ， 由于菲涅尔透镜表面纹路的加工缺陷， 会造成一部分入射光线的损失， 导致光线透过率仅处于 75 %左右的较低水平上； 而且这 种加工缺陷又是以目前的加工技术所难以克服 的。又如， 菲涅尔透镜可看成由多个同光轴 凸透镜的组合， 故其聚光后光斑能量分布不够均匀。

采用普遍使用的球面凸透镜替代菲涅尔透镜可 解决光线透过率较低的问题。然而， 球 面凸透镜只能将光线集中于该透镜的焦点， 因此无论将光伏电池晶片安装在其焦点略靠前 或靠后的位置， 都会造成电池晶片接收面的中心与周边的光斑 能量分布不均， 致使电池内 部产生电势差， 进而形成内部电流， 这一部分电流会在电池内部消耗掉， 减小了电池输出 功率； 另外， 内部电流的产生也是电池内部的温度升高的重 要原因， 而电池内部温度升高 又使得聚光太阳电池组件的效率下降。

发明内容 本发明所解决的技术问题是提供一种既具有较 高的透过率又能够保证聚光后光斑能 量分布较为均匀的聚光透镜， 并提供一种使用该聚光透镜的复眼式透镜聚光 器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 一种聚光透镜， 该透镜为一块可将相互 平行的入射光线折射到一个位于该透镜外侧的 接收面上进而形成光斑的凸透镜，若设其中 任意一条入射光线和所述透镜的接触点与该透 镜光轴之间的垂直距离为 X， 该入射光线经 透镜折射到所述接收面上后形成的投影点与所 述光斑中心的垂直距离为 m， 并且该透镜的 半径为 a， 所述光斑的半径为 b， 则该透镜满足以下条件， 即： x/m=a/b。

作为上述技术方案的优选方案，该透镜具有以 其光轴为旋转轴的旋转凸面以及与该旋 转凸面相对的端平面，该旋转凸面与任意一个 通过该透镜光轴的纵截面的交线为一条可使 该纵截面上沿透镜径向分布并与其光轴平行的 入射光线折射到所述接收面上形成投影直 线的曲线，将该曲线反映在其所在纵截面上并 以所述端平面的中心点为坐标原点的平面坐 标系中的曲线方程为：

其中， 系数 h为所述端平面与接收面之间的直线距离； 系数 a为所述透镜的半径； 系数 b为所述投影直线的长； 系数 n为透镜折射率； 变量 X为所述曲线上任意一点与透镜光轴之 间的横向距离， 变量 y为该点与端平面之间的纵向距离。

必须指出，该曲线方程的获得并不是申请人在 现有技术的启示下进行有限次实验就能 够得到的。 实际上， 该曲线方程的获得是基于申请人创造性的认识 到， 要使聚光后光斑能 量分布均匀的一个较好办法， 是通过透镜的旋转凸面将光线等比例压缩到接 收面上。 也就 是说， 当入射光线经过所述曲线上的任意一点折射到 接收面上以后， 该点在曲线方程上的 横坐标 X与接收面上的投影点距透镜光轴的横向间距 _m 之间的比值，应该等于所述透镜的半 径 a与所述投影直线半长 b之间的比值， gPx/m=a/b。 根据已知的透镜折射规律并结合上面 的等式， 可得到下面一组方程：

x/m=a/b ( 1 )

sin ( Θ ) =nsin ( β ) ( 2 )

x-m= (h-y) tan ( β - θ ) ( 3 ) tan ( 6 ) =牟 （4) 其中， 变量 " θ "和 " β "分别表示光线经过所述曲线时的入射角大小� �折射角大小。 其余系数及变量的含义均已在上面进行了解释 。在上述方程组的基础上， 经数学推导可得 到上述曲线方程。

该曲线方程所决定的旋转凸面的形状完全能够 在产业上得以实现。由于现有透镜通常 采用模压的方式成型， 成型后旋转凸面的形状通过成型模具来控制。 在模具设计过程中， 只要将上述曲线方程输入模具设计软件， 即能够生成曲线再旋转形成旋转凸面的理论数 模； 在模具制造过程中通过数控机床就能够加工出 相应的模具型腔。

申请人还需要指出的是，上面所公开的具有所 述特殊曲线方程的聚光透镜仅仅是本发 明所要保护的聚光透镜中的一个实例而已。 实际上， 这个具有所述特殊曲线方程的聚光透 镜是一个平凸透镜， 因此与该透镜光轴平行的入射光线仅由该透镜 的旋转凸面进行一次折 射，故任意一条入射光线和所述透镜的接触点 与光轴之间的垂直距离就是该入射光线经过 所述曲线上的其中一点在曲线方程上的横坐标 X； 这些平行的入射光线经该透镜折射到所 述接收面上后所形成的光斑半径就是所述投影 直线半长 b; 并且入射光线从该接触点经透 镜折射到接收面上的投影点与光斑中心的垂直 距离就是该投影点距透镜光轴的横向间距 m。

虽然平凸透镜具有结构简单， 利于透镜设计和制造等优点， 但是在本发明的技术启示 下， 还可采用与上述特殊曲线方程的聚光透镜的等 同替代方案。 比如也可以将透镜设计为 两面均为旋转凸面的凸透镜。 这时， 只要遵循 x/m=a/b (其中， 设入射光线和所述透镜的 接触点与该透镜光轴之间的垂直距离为 x， 该入射光线经透镜折射到所述接收面上后形成 的投影点与所述光斑中心的垂直距离为 m， 并且该透镜的半径为 a， 所述光斑的半径为 b ) 的条件， 并结合已知的镜折射规律， 就可以推导出这两个旋转凸面的方程， 并最终获得这 两个旋转凸面的理论数模。

本发明的复眼式透镜聚光器包括多块平面阵列 的聚光透镜，所述各透镜为一块可将相 互平行的入射光线折射到一个位于该透镜外侧 的接收面上进而形成光斑的凸透镜，若设其 中任意一条入射光线和所述透镜的接触点与该 透镜光轴之间的垂直距离为 x， 该入射光线 经透镜折射到所述接收面上后形成的投影点与 所述光斑中心的垂直距离为 m， 并且该透镜 的半径为 a， 所述光斑的半径为 b， 则该透镜满足以下条件， 即： x/m=a/b。

其中，该复眼式透镜聚光器上的多块平面阵列 的聚光透镜可粘贴在一块透明的玻璃板 上以便与电路板封装成的一个箱型结构的复眼 式聚光太阳电池组件。 当然， 这些聚光透镜 也可以与该玻璃板一体成型。

具体的，所述各聚光透镜具有以透镜光轴为旋 转轴的旋转凸面以及与该旋转凸面相对 的端平面，该旋转凸面与任意一个通过该透镜 光轴的纵截面的交线为一条可使该纵截面上 沿透镜径向分布并与其光轴平行的入射光线折 射到一个所述接收面上形成直线光斑的曲 线，将该曲线反映在其所在纵截面上并以所述 端平面的中心点为坐标原点的平面坐标系中 的曲 ：

其中， 系数 h为所述端平面与接收面之间的直线距离； 系数 a为所述透镜的半径； 系数 b为所述投影直线半长； 系数 n为透镜折射率； 变量 X为所述曲线上任意一点与透镜光轴之 间的横向距离， 变量 y为该点与端平面之间的纵向距离。

进一步的， 各聚光透镜的周边被截成具有至少三个柱面的 多边形结构； 该复眼式透镜 聚光器中任意相邻聚光透镜之间通过两透镜相 对的柱面粘接。显然， 将各聚光透镜的周边 截成具有至少三个柱面的多边形结构的目的， 是为了方便的将相邻聚光透镜之间粘接起来 使复眼式透镜聚光器中的各聚光透镜呈平面阵 列。

具体的， 各聚光透镜的周边被截成具有四个柱面的四边 形结构， 其中相邻柱面之间相 互垂直；该复眼式透镜聚光器中任意相邻聚光 透镜之间通过两透镜相对的柱面粘接进而使 该复眼式透镜聚光器中的各聚光透镜呈矩形阵 列。显然， 将各聚光透镜的周边截成具有四 个柱面的四边形结构， 且相邻柱面之间相互垂直的目的， 是使该复眼式透镜聚光器中的各 聚光透镜呈矩形阵列。 并且， 将聚光透镜的周边截成四边形结构的好处还在 于， 聚光后光 斑的形状也为四边形结构， 因此相应的可将各光伏电池晶片也制成四边形 结构， 这样在进 行电池切割时既能够节省材料又可以便于加工 。

本发明还提供了一种采用了上述复眼式透镜聚 光器的复眼式聚光太阳电池组件。 本发明的有益效果是： 通过光学模拟实验发现， 该聚光透镜的透过率高达 90 %〜93 % , 并且通过该聚光透镜聚光后光斑能量分布曲线 近似 "马鞍"形， 即表明光斑能量分布 均匀。本发明的聚光透镜不仅可用于聚光光伏 发电技术领域， 也可用于其他具有均匀聚光 要求的光学设备上。

附图说明

图 1 为本发明复眼式透镜聚光器的分解示意图。

图 1 ( a) 为复眼式透镜聚光器的整体结构示意图。

图 1 (b ) 为构成复眼式透镜聚光器中单个聚光透镜的结 构示意图。

图 2为图 1 (b ) 的放大图。

图 3为图 2的 A向全剖视图 （以纵截面 2为剖面）。

图 4为采用传统球面凸透镜作为聚光透镜后光斑� �量分布图。

图 4中光斑亮度表示能量高低， 亮度越高表示能量越高。

图 5为采用传统球面凸透镜作为聚光透镜后光斑� �量分布曲线。

图 5的横坐标为光斑宽度， 纵坐标为能量强度。 因此， 图 5可以看作在图 4的横截面 或纵截面上观察光斑能量分布。

图 6为采用本发明的聚光透镜后光斑能量分布图� �

图 6中光斑亮度表示能量高低， 亮度越高表示能量越高。

图 7为采用本发明的聚光透镜后光斑能量分布曲� �。

图 7的横坐标为光斑宽度， 纵坐标为能量强度。 因此， 图 5可以看作在图 4的横截面 或纵截面上观察光斑能量分布。

图 8为本发明聚光透镜另一种实施方式的示意图� �

图 9为本发明复眼式聚光太阳电池组件的结构示� �图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图 9所示的复眼式聚光太阳电池组件，该组件是� �复眼式透镜聚光器 5和安装有多 片光伏电池晶片 7的电路板 6封装而成的一个箱型结构； 如图 1〜3所示， 其中的复眼式 透镜聚光器 5具有多块平面阵列的聚光透镜 1， 这些聚光透镜 1均为一块可将平行于其光 轴 103的入射光线 3折射到一个与该聚光透镜 1对应的光伏电池晶片 7的接收面 4上的凸 透镜； 其中， 如图 2〜3所示， 所述各聚光透镜 1具有以透镜光轴 103为旋转轴的旋转凸 面 101以及与该旋转凸面 101相对的端平面 102， 该旋转凸面 101与任意一个通过该透镜 光轴 103的纵截面 2的交线为一条可使该纵截面 2上沿透镜径向分布的入射光线 3折射到 所述接收面 4上形成投影直线的曲线 104， 将该曲线 104反映在其所在纵截面 2上并以所 述端平面 102的中心点为坐标原点 A的平面坐标系中的曲线方程为：

其中， 系数 h为所述端平面 102与接收面 4之间的直线距离； 系数 a为所述聚光透镜 1的半径； 系数 b为所述投影直线的半长； 系数 n为透镜折射率； 变量 X为所述曲线 104 上任意一点 B与透镜光轴 103之间的横向距离，变量 y为该点 B与端平面 102之间的纵向 距离。

该曲线方程的获得是基于申请人创造性的认识 到，要使聚光后光斑能量分布均匀的一 个较好办法， 是通过透镜的旋转凸面 101将光线等比例压缩到接收面 4上。 也就是说， 当入 射光线 3经过所述曲线 104上的任意一点 B折射到接收面 4上以后， 该点 B在曲线方程上的横 坐标 X与对应接收面上的投影点距透镜光轴 103的横向间距 m之间的比值， 应该等于所述聚 光透镜 1的半径 a与所述投影直线半长 b之间的比值， gPx/m=a/b。根据已知的镜折射规律并 结合上面的等式， 可得到下面一组方程：

x/m=a/b ( 1 )

sin ( Θ ) =nsin ( β ) ( 2 )

x-m= (h-y) tan ( β - θ ) ( 3 )

tan ( 6 ) =牟 （4) 其中， 变量 " θ "和 " β "分别表示光线经过所述曲线时的入射角大小� �折射角大小。 其余系数及变量的含义已在上面进行了解释。 在该方程组的基础上， 可数学推导得到上述 曲线方程。

如图 2所示， 各聚光透镜 1的周边被截成具有至少三个柱面 105的多边形结构； 该复 眼式透镜聚光器中任意相邻聚光透镜 1之间通过两透镜相对的柱面 105粘接。显然， 将各 聚光透镜 1的周边截成具有至少三个柱面 105的多边形结构的目的，是为了方便的将相邻 聚光透镜 1之间粘接起来使复眼式透镜聚光器中的各聚� �透镜 1呈平面阵列。

具体的， 各聚光透镜 1的周边被截成具有四个柱面 105的四边形结构， 其中相邻柱面 105之间相互垂直； 该复眼式透镜聚光器中任意相邻聚光透镜 1之间通过两透镜相对的柱 面 105粘接进而使该复眼式透镜聚光器中的各聚光 透镜 1呈矩形阵列。显然， 将各聚光透 镜 1的周边截成具有四个柱面 105的四边形结构， 且相邻柱面 105之间相互垂直的目的， 是使该复眼式透镜聚光器中的各聚光透镜 1呈矩形阵列。

使该复眼式透镜聚光器中的各聚光透镜 1呈矩形阵列的好处在于， 经这些聚光透镜 1 折射的光斑也为矩形， 因此可将光伏电池晶片 7的形状设计为矩形。 由于这些光伏电池晶 片 7是通过一块较大的电池片切割而成的， 当光伏电池晶片 7为矩形时， 即能够便于切割 同时又可以节省材料。

现对本发明复眼式聚光太阳电池组件中的复眼 式透镜聚光器所使用的聚光透镜 1 与 普通球面凸透镜聚光后光斑能量分布均匀性进 行对比。对于普通球面凸透镜聚光后光斑能 量分布， 如图 4所示， 光斑中心的亮度最高， 其周边亮度骤然降低； 反映在图 5所示的曲 线图上为一陡然升降的波浪形。 图 4〜5说明能量集中在光斑的中心部位， 可见能量分布 极不均匀。 对于本发明所使用的聚光透镜 1聚光后光斑能量分布， 如图 6所示， 矩形光斑 的亮度一致； 反映在图 7所示的曲线图上近似为一 "马鞍"形， 说明光斑上各点能量均位 于 "马鞍"形曲线的波峰位置， 可见能量分布比较均匀。

此外， 通过光线透过率测试， 发现本发明的聚光透镜的透过率高达 90 %〜93 %， 而 菲涅尔透镜的透过率为 75 %左右， 证明本发明的聚光透镜还具有良好的透过率。

申请人还需要说明的是， 在进行上述对比时， 已将两个试验的光线的入射总能量调整 一致， 并保证了接收面上的光斑大小基本相等。 对于图 7所示的曲线图， 其波峰位置并不 是十分平滑， 在一定范围内具有上下波动， 主要由于本试验模拟的是太阳光谱， 光线能量 本身就不是十分均匀造成 。

本发明的聚光透镜 1也可以采用图 8所示的方式得以实现。图 8所示的聚光透镜的两 侧面分别为旋转凸面。这两个旋转凸面与任意 一个通过该透镜光轴 103的纵截面 2的交线 分别为图 8中所示的曲线 106和曲线 107。 若以图 8中所示的 F点为坐标原点 （即透镜光 心）， 设透镜半径为 a， 入射光线经该透镜边缘并折射到接收面 4上后形成的投影点与光 轴 103的垂直距离为 b， 点 C ( x, y) 为任意一入射光线 3与曲线 106的交点， 点 D ( xl， yl )为该入射光线 3经过曲线 106折射后的光线与曲线 107的交点， 该入射光线 3经透镜 两次折射后在接收面 4上的投影点为点 E (m， h)， 曲线 107上点 D处的法线与光轴 103 的夹角 Y、 C点的入射角 Θ和折射角 β以及 D点的入射角 ε和折射角 α均为未知数， 透镜 半径为 a、 坐标原点 F与接收面 4的垂直距离 h、 入射光线经该透镜边缘并折射到接收面 4上后形成的投影点与光轴 103的垂直距离 b以及透镜的折射率均为已知数， 可得到下面 的一组方程： x/m=a/b ( 1 )

sin ( Θ ) =nsin ( β ) (2)

tan(6)= 牟 (3)

tan ( θ - β ) = (x-xl) I (y+yl) (4)

sin ( a ) =nsin[ y + ( θ - β ) ] (5)

tan ( a -y ) = (xl- m) / (h- yl) (6)

tan Y (7)

dxl

并且， 由于该聚光透镜的两侧面分别为旋转凸面， 因此还具有如下边界条件， 即： 当 X =0时， tan Θ =0

当 xl = 0时， tan y =0

这样， 就能够推导出曲线 106和曲线 107的曲线方程。

通过上面两个具体实施方式， 总结出本发明的关键是运用了以下思路： 若设其中任意 一条入射光线 3和所述透镜的接触点与该透镜光轴 103之间的垂直距离为 x， 该入射光线 3经透镜折射到所述接收面 4上后形成的投影点与所述光斑中心的垂直距� �为 m， 并且该 透镜的半径为 a， 所述光斑的半径为 b， 则该透镜应满足以下条件， 即： x/m=a/b。