非成像聚光透镜及太阳能聚光装置

摘要

本发明提供一种非成像聚光透镜，其包括一个平板状透明体、一个圆锥形凸起及多个环状凸起。该透明体包括相对设置的第一、第二表面。该圆锥形凸起设置在第一表面上。该多个环状凸起设置在第一表面上并环绕圆锥形凸起的底面圆心呈同心圆分布在圆锥形凸起周围，该多个环状凸起的沿垂直于第一表面方向上的横截面为沿环状凸起径向相邻排列并分布在圆锥形凸起两侧的多个三角形。该种非成像聚光透镜会聚后的光线在具有均匀的光线强度分布。本发明还提供一种太阳能聚光装置。

权利要求

1.一种非成像聚光透镜，其包括：

一个平板状透明体，该透明体包括相对设置的第一表面及第二表面，该第一、第二表面均为平坦表面；

一个圆锥形凸起以及多个环状凸起，该圆锥形凸起设置在透明体的第一表面上且具有一底面圆心，该多个环状凸起设置在该透明体的第一表面上并环绕该底面圆心呈同心圆状分布在圆锥形凸起周围，该多个环状凸起的沿垂直于第一表面方向上的横截面为分布在圆锥形凸起两侧、分别沿透明体半径方向相邻排列的多个三角形，各个三角形包括一条位于第一表面上的第一边、与该第一边相邻且邻近圆锥形凸起底面圆心的第一夹角、以及与该第一边相邻且远离圆锥形凸起底面圆心的第二夹角，各三角形的第一边的长度从该圆锥形凸起的底面圆心起沿环状凸起的径向方向依次增大，任一三角形的第一夹角大于其第二夹角，且任一三角形的第一夹角小于等于90度。

2.如权利要求1所述的非成像聚光透镜，其特征在于，各三角形的第一边的长度从该圆锥形凸起的底面圆心起沿环状凸起的径向方向以等差数列依次增大。

3.如权利要求1所述的非成像聚光透镜，其特征在于，各三角形的第一夹角大小相同。

4.如权利要求1所述的非成像聚光透镜，其特征在于，所述各三角形的第一夹角大小为45～90度。

5.如权利要求4所述的非成像聚光透镜，其特征在于，所述各三角形的第一夹角大小为87～90度。

6.如权利要求5所述的非成像聚光透镜，其特征在于，所述各三角形的第一夹角为90度。

7.如权利要求1所述的非成像聚光透镜，其特征在于，所述各三角形的第二夹角从该圆锥形凸起的底面圆心起沿环状凸起的径向方向依次增大。

8.如权利要求1所述的非成像聚光透镜，其特征在于，所述各三角形的与第一边相邻的另外两条边的交汇处形成有圆角。

9.如权利要求1所述的非成像聚光透镜，其特征在于，所述平板状透明体呈圆形。

10.一种太阳能聚光装置，其包括如权利要求1所述的非成像聚光透镜以及设置在该非成像聚光透镜的具有环状凸起一侧的圆形太阳能电池板，该透明体与太阳能电池板相互平行，该太阳能聚光装置满足以下关系式：其中，该透明体为圆形，R1为该圆形透明体的半径，R2为该圆形太阳能电池板的半径，D为该太阳能电池板与第一表面之间的间隔距离，mmax为该透明体上环状凸起的总数量，以圆锥形凸起的底面圆心起、沿远离该圆心的半径方向数起依次分布有第1～mmax个环状凸起，该圆锥形凸起视为第1个环状凸起且该第1个环状凸起的内圆半径为0，αm为第m个环状凸起的三角形横截面中与该第一边相邻且远离圆锥形凸起底面圆心的夹角，βm为穿过第m个环状凸起的光线入射至太阳能电池板的入射角度，n为该非成像聚光透镜的折射率。

11.如权利要求10所述的太阳能聚光装置，其特征在于，各三角形的第一夹角大小相同。

12.如权利要求11所述的太阳能聚光装置，其特征在于，所述各三角形的第一夹角为

90度。

13.如权利要求10所述的太阳能聚光装置，其特征在于，所述各三角形的与第一边相邻的另外两条边的交汇处形成有圆角。

14.如权利要求10所述的太阳能聚光装置，其特征在于，各三角形的第一边的长度从该圆锥形凸起的底面圆心起沿环状凸起的径向方向以等差数列依次增大。

说明书

非成像聚光透镜及太阳能聚光装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种非成像聚光透镜，尤其是一种可应用于太阳能聚光装置的非成像聚光透镜。

背景技术

[0002] 太阳能作为一种新型能源，日益受到人们的普遍重视。

[0003] 目前，常见的太阳能聚光装置通常采用点聚焦菲涅尔透镜会聚太阳光。参见图1，该种点聚焦菲涅尔透镜30包括多个以同心圆分布的球面锯齿31，由于每个球面锯齿31仍然具有类似平凸透镜的曲面32和平面33，因此它与普通的凸透镜一样具有将光的会聚至其焦点的作用。将太阳能电池板(图未示)设置在点聚焦菲涅尔透镜30焦平面之前的适当位置即可收集太阳能。

[0004] 参见图2，由于太阳距地球表面较远，太阳光通常被视为相互平行的光线。当点聚焦菲涅尔透镜30的各个球面锯齿宽度同为d的时候，每一个球面锯齿接收到的太阳光线的数量相同。然而，相互平行的太阳光线透射过点聚焦菲涅尔透镜30后被各球面锯齿31不同程度的弯折而不再相互平行。图2清楚的示出，不同的球面锯齿31在L平面上聚集的太阳光斑尺寸d1、d2不同，由此可见，被弯折的太阳光线在射向点聚焦菲涅尔透镜30的焦点O的过程中，其在平行于透镜焦平面O1O2的任一平面L上的光强度分布都不均匀，从而太阳能电池板被设置于平面L的位置上时，其各处受到的太阳光照强度的不均匀，不利于太阳能电池板的充分利用。

[0005] 有鉴于此，有必要提供一种能够使被会聚后的太阳光线强度分布仍具有较佳均匀度的聚光透镜。

发明内容

[0006] 下面将以具体实施例说明一种能够使被会聚后的太阳光线强度分布仍具有较佳均匀度的聚光透镜。

[0007] 一种非成像聚光透镜，其包括一个平板状透明体，一个圆锥形凸起以及多个环状凸起，该透明体包括相对设置的第一表面及第二表面，该第一、第二表面均为平坦表面；该圆锥形凸起设置在透明体的第一表面上且具有一底面圆心；该多个环状凸起设置在该透明体的第一表面上并环绕该底面圆心呈同心圆状分布在圆锥形凸起周围，该多个环状凸起的沿垂直于第一表面方向上的横截面为分布在圆锥形凸起两侧、分别沿透明体半径方向相邻排列的多个三角形，各个三角形包括一条位于第一表面上的第一边、与该第一边相邻且邻近圆锥形凸起底面圆心的第一夹角、以及与该第一边相邻且远离圆锥形凸起底面圆心的第二夹角，各三角形位于第一表面上的第一边的长度从该圆锥形凸起的底面圆心起沿环状凸起的径向方向依次增大，任一三角形的第一夹角大于其第二夹角，且任一三角形的第一夹角小于等于90度。

[0008] 本发明实施例还提供一种具有该种非成像聚光透镜的太阳能聚光装置，其包括如上述的非成像聚光透镜以及设置在该非成像聚光透镜的具有环状凸起一侧的太阳能电池板，该透明体与太阳能电池板相互平行且二者均呈圆形，该太阳能聚光装置满足以下关系式：

[0009]

[0010]

[0011] 其中，该透明体为圆形，R1为该圆形透明体的半径，R2为该圆形太阳能电池板的半径，D为该太阳能电池板与第一表面之间的间隔距离，mmax为该透明体上环状凸起的总数量，以圆锥形凸起的底面圆心起、沿远离该圆心的半径方向数起依次分布有第1～mmax个环状凸起，该圆锥形凸起视为第1个环状凸起且该第1个环状凸起的内圆半径为0，αm为第m个环状凸起的三角形横截面中与该第一边相邻且远离圆锥形凸起底面圆心的夹角，βm为穿过第m个环状凸起的光线入射至太阳能电池板的入射角度，n为该非成像聚光透镜的折射率。

[0012] 与现有技术相比，本发明所提供的非成像聚光透镜及太阳能聚光装置的环状凸起在沿垂直于透明体表面方向上的横截面形状为三角形，该三角形的边用于折射太阳光线，经过各环状凸起的太阳光线在横截面三角形的处发生折射后可按一定比例分布在同一接收面上，从而被折射后的太阳光线在同一接收面上的光强度分布情形与太阳光线入射至非成像聚光透镜之前保持相同，因此光线强度分布仍具有较佳均匀度。此外，由于所述各截面三角形位于第一表面上的第一边的长度从该圆锥形凸起的底面圆心起沿环状凸起的径向方向依次增大，从而可在达成特定聚光半径需求的前提下，减少环状凸起的数量，进而简化非成像聚光透镜的制作工艺。

附图说明

[0013] 图1是常见的菲涅尔透镜的剖面结构示意图。

[0014] 图2是采用图1所示菲涅尔透镜会聚太阳光的光路示意图。

[0015] 图3是本发明实施例所提供非成像聚光透镜的结构示意图。

[0016] 图4是图3所示非成像聚光透镜沿IV-IV的剖视图。

[0017] 图5是图3所示非成像聚光透镜的剖面结构示意图。

[0018] 图6是采用图3所示非成像聚光透镜会聚太阳光的光路示意图。

[0019] 图7是本发明实施例所提供具有非成像聚光透镜的太阳能聚光装置的聚光原理示意图。

[0020] 图8是本发明实施例所提供的另一种非成像聚光透镜的结构示意图。

[0021] 图9是本发明实施例所提供的再一种非成像聚光透镜的结构示意图。

[0022] 图10是本发明实施例所提供的又一种非成像聚光透镜的结构示意图。

具体实施方式

[0023] 下面将结合附图对本发明实施例作进一步详细说明。

[0024] 参见图3及图4，本发明实施例提供的非成像聚光透镜10，其包括一个透明体11，一个圆锥形凸起12以及多个环状凸起13。

[0025] 该透明体11为圆形透明体，其为平板状。该透明体11包括第一表面110和第二表面112。该第二表面112与第一表面110相对设置，且该第二表面112用于接收太阳光的照射。该第一表面110、第二表面112均为平坦表面。该透明体11的材质可为有机塑料或玻璃等。

[0026] 该圆锥形凸起12设置在透明体11的第一表面110上，且该圆锥形凸起12的底面圆心与透明体11第一表面110的圆心114相重合，也即，该圆锥形凸起12的底面圆心也为114，该圆锥形凸起12设置在第一表面110的中央位置。

[0027] 该多个环状凸起13设置在透明体11的第一表面110上。该多个环状凸起13环绕该圆锥形凸起12的底面圆心114呈同心圆状分布，并且环绕在圆锥形凸起12周围。参见图5，各个环状凸起13的沿垂直于第一表面110方向上的横截面形状均为直角三角形，该多个直角三角形分布在圆锥形凸起12两侧、并分别沿环状凸起13的径向方向(在此，也即透明体11的径向方向)相邻排列，任一直角三角形的第一直角边130位于第一表面110上、第二直角边132位于其所对应环状凸起13的邻近圆锥形凸起12底面圆心114的一侧。各直角三角形位于第一表面110上的第一直角边130的长度从该圆锥形凸起12的底面圆心114起沿环状凸起13的径向方向依次增大。各直角三角形的第二直角边132的对角α从该圆锥形凸起12的底面圆心114起沿环状凸起13的径向方向依次增大。本实施例中，所述各直角三角形的第一直角边130的长度从该圆锥形凸起12的底面圆心114起沿环状凸起13的径向方向以等差数列依次增大。

[0028] 该圆锥形凸起12可视为内圆半径为0的环状凸起，其在沿垂直于第一表面110方向上的横截面形状为相邻的两个直角三角形，圆锥形凸起12的底面半径小于“其他环状凸起13的截面直角三角形在第一表面110上的直角边130”的长度。本实施例中，该圆锥形凸起12的半径与各直角三角形的第一直角边130的长度以等差数列依次增大。

[0029] 参见图6，环状凸起13在沿垂直于第一表面110方向上的横截面形状为直角三角形。由于该直角三角形的斜边134对太阳光线起折射作用，因此，在图6所示的平面中，透射过同一环状凸起13的斜边134的太阳光线仍保持相互平行，并透射过非成像聚光透镜10的太阳光线按一定比例分布在同一接收面上。由此可见，被非成像聚光透镜10弯折的太阳光线在平面L上的光强度分布是均匀的，L平面处的太阳光线分布情形与太阳光入射至第二表面112之前保持相同，从而光线强度分布均匀度较佳。此外，由于所述各三角形位于第一表面110上的第一边130的长度从该圆锥形凸起12的底面圆心114起沿环状凸起的径向方向依次增大，从而可在达成特定聚光半径需求的前提下，减少环状凸起13的数量，进而简化非成像聚光透镜10的制作工艺。

[0030] 本发明实施例还提供一种具有如上所述非成像聚光透镜10的太阳能聚光装置20。

[0031] 参见图7，该太阳能聚光装置20将一圆形太阳能电池板21设置在非成像聚光透镜10的具有环状凸起13的一侧，并使太阳能电池板21位于图6所示L平面的位置，以接收均匀分布的太阳光线照射，从而储存太阳能。

[0032] 需要说明的是，该非成像聚光透镜10的环状凸起数目、圆形透明体及圆形太阳能电池板的半径均可适当变更以适应特定需求。当作出上述变更，只需保证该太阳能聚光装置20满足以下关系式，即可保证太阳能电池板21可以接收到均匀的太阳光线照射，使太阳能电池板21上的太阳光强度分布具有较佳的均匀度：

[0033]

[0034]

[0035] 其中，R1为该圆形透明体11的半径，R2为该圆形太阳能电池板21的半径，D为该太阳能电池板21与该透明体11第一表面110之间的间隔距离，mmax为该透明体11上环状凸起13的总数量，以圆锥形凸起12的底面圆心114起、沿远离该圆心114的半径方向数起依次分布有第1～mmax个环状凸起(圆锥形凸起12视为第1个环状凸起，其内圆半径为0)，αm为第m个环状凸起13的直角三角形横截面第一直角边130与斜边134的夹角，βm为穿过第m个环状凸起13的光线入射至太阳能电池板21的入射角度，n为该非成像聚光透镜10的折射率。

[0036] 参见图8，本发明第三实施例还提供一种非成像聚光透镜40。该非成像聚光透镜40的环状凸起43在沿垂直于第一表面410方向上的横截面形状不是直角三角形。各个三角形的邻近圆锥形凸起的底面圆心414的第一夹角θ大于其相对远离圆心414的第二夹角α，从而第一夹角θ所对的边434的长度大于第二夹角α所对的边432。与相对较短的边432相比，由于长边434折射相对较多的太阳光，从而整个非成像聚光透镜40在整体上可使得透射过的平行太阳光向靠近非成像聚光透镜40光轴(图中点划线所示)的方向会聚。另外，为防止太阳光线两次经过非成像聚光透镜40而影响聚光，该第一夹角θ小于等于90度。

[0037] 因此，本发明实施例并不局限于环状凸起在沿垂直于第一表面方向上的横截面形状为直角三角形，该非成像聚光透镜的环状凸起在沿垂直于第一表面方向上的横截面形状也可以不是直角三角形，只要保证各个三角形的邻近圆锥形凸起底面圆心的第一夹角大于其相对远离圆锥形凸起底面圆心的第二夹角，且第一夹角小于等于90度即可。

[0038] 考虑到第一夹角的不同将会使得非成像聚光透镜的聚光能力有所差异，本实施例中该第一夹角可大于等于45度且小于等于90度。

[0039] 另外，当通过压模工艺来制作该非成像聚光透镜时，为方便后续的脱模制程，不宜使各个环状凸起43的沿垂直于第一表面410方向上的横截面形状为绝对意义上的的直角三角形。因此，可根据模具制作的需求，适当调整横截面三角形两条边430和432的夹角θ，使该夹角θ略小于90度以方便后续的脱模工艺，例如，该夹角θ可大于等于87度且小于90度。

[0040] 此外，各个截面三角形的第一夹角在符合上述条件的前提下可以各不相同、部分相同或者完全相同。

[0041] 参见图9，同样地为方便脱模制程，非成像聚光透镜50的横截面三角形的两条边532和534之间还进一步形成有倒角536，同样由于该倒角536可以设置的较小，以尽量降低对非成像聚光透镜50的聚光均匀度造成的影响。

[0042] 不难理解的是，该非成像聚光透镜的透明体并不局限为圆形，其还可为三角形、矩形、五边形或其他多边形等。参见图10，当成像聚光透镜60的透明体为非圆形时，分布在其第一表面上的多个凸起与圆锥形凸起62共圆心并呈环状分布，并且，位于非圆形透明体第一表面边缘的凸起63呈不完整的圆环状。此外，本发明实施例提供的非成像聚光透镜将会聚合的太阳光按一定比例分布在同一接收面上，因此，圆锥形凸起也并不局限于设置在透明体第一表面的几何中心位置，即使圆锥形凸起偏离该中心位置也能保证聚光的均匀性。

[0043] 另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。