菲涅尔聚光透镜的一般设计方法及效率分析

Fresnel透镜是由法国物理学家AugustinJeanFresnel在1822年发明的，它是采用多个同轴排列或平行排列的棱镜序列组成不连续曲面取代了一般透镜的连续球面。Fresnel透镜因其结构简单，便于制造，重量体积上更轻、更薄，设计上可以获得更大的孔径与焦距比，所以作为太阳能聚光器的应用也越来越受重视。其中以美国Wagner等提出采用Fresnel透镜进行太阳光谱分离的研究预计可以设计出效率超过50%的聚光光伏发电系统[1，2]较为突出。太阳能Fresnel聚光透镜的设计主要是以透镜的光学效率、成像面上光斑的能量均匀性、色散以及聚光光斑大小与聚光光伏电池的匹配等为主要控制指标[3]。郭孝武等曾提出了Fresnel透镜的一般设计公式，没有包括弧形基面Fresnel透镜的设计，也没有给出Fresnel透镜光学效率的计算方法。该文从弧面基面Fresnel透镜的结构设计出发，给出了统一设计公式的简略推导过程，获得了Fres2nel透镜的一般设计公式，并发现平板Fresnel透镜是设计公式的特例，该方法能够适应弧形基面和平基面形状的Fresnel透镜、楞面朝外或者朝内的透镜、以及点聚焦和线聚焦等不同类型的Fresnel透镜的结构设计;据此，提出了Fresnel透镜的光学效率的计算方法，并对目前常用的不同结构Fresnel透镜的光学效率进行了分析和比较，对其适用性和优缺点作了定性的评价。该文研究结果对太阳能聚光光伏发电系统的光学系统设计具有一定的理论指导意义。

1.Fresnel聚光透镜一般设计方法

图1为弧形基面Fresnel透镜光线聚集的原理示意图，设F为在光轴上一点光源，光束从F点出发，经过介质到达透镜经折射聚焦于透镜的另一侧F′点。图2为图1中第i楞尖劈透镜元横截面的局部放大图，由图2可见，一束光线通过透镜的第i楞经过了2个光学界面的折射，即经过A折射至B，然后折射于聚焦点F′。设O和O′分别为弧形基面横切面圆心和横切面中心。

 

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