Fresnel透鏡是由法國物理學(xué)家AugustinJeanFresnel在1822年發(fā)明的，它是采用多個(gè)同軸排列或平行排列的棱鏡序列組成不連續(xù)曲面取代了一般透鏡的連續(xù)球面。Fresnel透鏡因其結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，重量體積上更輕、更薄，設(shè)計(jì)上可以獲得更大的孔徑與焦距比，所以作為太陽能聚光器的應(yīng)用也越來越受重視。其中以美國Wagner等提出采用Fresnel透鏡進(jìn)行太陽光譜分離的研究預(yù)計(jì)可以設(shè)計(jì)出效率超過50%的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)[1，2]較為突出。太陽能Fresnel聚光透鏡的設(shè)計(jì)主要是以透鏡的光學(xué)效率、成像面上光斑的能量均勻性、色散以及聚光光斑大小與聚光光伏電池的匹配等為主要控制指標(biāo)[3]。郭孝武等曾提出了Fresnel透鏡的一般設(shè)計(jì)公式，沒有包括弧形基面Fresnel透鏡的設(shè)計(jì)，也沒有給出Fresnel透鏡光學(xué)效率的計(jì)算方法。該文從弧面基面Fresnel透鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，給出了統(tǒng)一設(shè)計(jì)公式的簡略推導(dǎo)過程，獲得了Fres2nel透鏡的一般設(shè)計(jì)公式，并發(fā)現(xiàn)平板Fresnel透鏡是設(shè)計(jì)公式的特例，該方法能夠適應(yīng)弧形基面和平基面形狀的Fresnel透鏡、楞面朝外或者朝內(nèi)的透鏡、以及點(diǎn)聚焦和線聚焦等不同類型的Fresnel透鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);據(jù)此，提出了Fresnel透鏡的光學(xué)效率的計(jì)算方法，并對(duì)目前常用的不同結(jié)構(gòu)Fresnel透鏡的光學(xué)效率進(jìn)行了分析和比較，對(duì)其適用性和優(yōu)缺點(diǎn)作了定性的評(píng)價(jià)。該文研究結(jié)果對(duì)太陽能聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的理論指導(dǎo)意義。

1.Fresnel聚光透鏡一般設(shè)計(jì)方法

圖1為弧形基面Fresnel透鏡光線聚集的原理示意圖，設(shè)F為在光軸上一點(diǎn)光源，光束從F點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)過介質(zhì)到達(dá)透鏡經(jīng)折射聚焦于透鏡的另一側(cè)F′點(diǎn)。圖2為圖1中第i楞尖劈透鏡元橫截面的局部放大圖，由圖2可見，一束光線通過透鏡的第i楞經(jīng)過了2個(gè)光學(xué)界面的折射，即經(jīng)過A折射至B，然后折射于聚焦點(diǎn)F′。設(shè)O和O′分別為弧形基面橫切面圓心和橫切面中心。

 

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