【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）基于平板式菲涅爾透鏡制作透射式太陽能集光器的Zemax軟件仿真

南京郵電大學(xué) 大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃 文） 題目 ： 透射式 太陽能集光器 專 業(yè)： 光電信息工程 學(xué)生姓名學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師： 指導(dǎo)單位： 光電工程學(xué)院 日期： 2011 年 4 月至 2012 年 4 月 南京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 1 - 摘 要 本項(xiàng)目 利用一種 平板式菲涅爾透鏡制作 成 太陽能集光器 ， 在保證太陽能利用率的基礎(chǔ)上，能夠使光能量分布均勻，轉(zhuǎn)化為熱能的效率增強(qiáng) ， 屬于制造太陽能利用設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域。 在結(jié)合 菲涅爾透鏡聚光原理的 基礎(chǔ)上，利用 件進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)光利用率的最大化 。 本文 在 純非序列 下 進(jìn)行討論， 對(duì)刻槽密度 、 干擾側(cè)面角 、 面型以及多鏡組合等進(jìn)行仿真 ,得出在不同參數(shù)下聚光的能量 大小 以及聚焦的均勻程度。 本次研究的一大特色就是使用 菲涅爾 透鏡取代傳統(tǒng)的玻璃透鏡，并 在此基礎(chǔ)上， 創(chuàng)造性的 提出多鏡組合和圓柱面型 菲涅爾透鏡，進(jìn)一步優(yōu)化菲涅爾透鏡 利用效率 。 關(guān)鍵詞： 太陽能集光器 菲涅 爾 透鏡 純非序列 南京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 2 - a to a on of of be of , to of of On of of of to to of to of to A of is to on of of of 京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 3 - 引言 新能源是二十一世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最具決定力的五大技術(shù)領(lǐng)域之一。 而 太陽能是一種清潔、高效和永不衰竭的新能源 ， 具有安全可靠、無噪聲、無污染 等優(yōu)點(diǎn)， 我國 地域遼闊，人口眾多，是能源消費(fèi)的大國，如果太陽能能夠得到有效利用，這將會(huì)對(duì)環(huán)境，對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生巨大的效益 1。 目前對(duì)太陽能的利用分為反射式和透射式兩種形式，早期的研究人員對(duì)反射 利用方 式進(jìn)行深入的研究，但在反射率，即光能的利用上受到限制，而 對(duì)于 透射式的 利用率相 比之下就大大提高。 考慮到 菲涅爾 透鏡 相比常規(guī)透鏡，如正光焦度的平凸透鏡，有著眾多優(yōu)點(diǎn)：重量輕、材料來源豐富、制作成本低、制作方便、口徑大、厚度薄。 在此基礎(chǔ)上， 我們采用多塊菲涅爾透鏡互相接合的結(jié)構(gòu)，可折疊存放節(jié)省空間； 采用 可調(diào)節(jié)的主支架和次支架，可改善光的匯聚效果，調(diào)節(jié)接受角度和范圍，增大太陽能的利用率 。 另外，由于 地球繞極軸以 15 / h 的速度自西向東的自轉(zhuǎn)以及圍繞太陽的公轉(zhuǎn)引起太陽光方向及強(qiáng)度的不斷變化 ，在支架底部配置自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤。 最后，本課題的研究，在實(shí)際的 生活領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。 由于 本發(fā)明 的實(shí)物 結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、造價(jià)低廉、易于實(shí)現(xiàn)并具有良好的加熱效果， 所以 適合室外的餐飲加熱。 南京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 4 - 一、 基本理論 菲涅 爾 透鏡 菲涅爾透鏡是由法國物理學(xué)家 奧古斯汀 在 1822 年所發(fā)明的一種透鏡，與傳統(tǒng)的球面或非球面透鏡相比，菲涅爾透鏡采用多個(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， 如圖一所示。 因此，菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，在重量和體積上比一般透鏡更輕、更薄，在設(shè)計(jì)上可以獲得更大的孔徑與焦距比。 圖 1 菲涅爾透鏡 基本原理 其工作原理十分簡單：假設(shè)一個(gè)透鏡的折射能量僅僅發(fā)生在光學(xué)表面（如：透鏡表面），拿掉盡可能多的光學(xué)材料，而保留表面的彎曲度。 另外一種理解就是，透鏡連續(xù)表面部分 “ 坍陷 ” 到一個(gè)平面上。從剖面看，其表面由一系列鋸齒型凹槽組成，中心部分是橢圓型弧線。每個(gè)凹槽都 與相鄰凹槽之間角度不同，但都將光線集中一處，形成中心焦點(diǎn)，也就是透鏡的焦點(diǎn)。每個(gè)凹槽都可以 看南京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 5 - 作 一個(gè)獨(dú)立的小透鏡，把光線調(diào)整成平行光或 匯聚 光。這種透鏡還能夠消除部分 球型 像差。 透鏡分類 國內(nèi)外，對(duì)菲涅爾聚光器研究非常多，菲涅爾透鏡的發(fā)展也越來越復(fù)雜，應(yīng)用功能各異，各種分類都不盡相同：有透射型的，有反射型的；有平板行的，有弧型的；有單焦點(diǎn)，有多焦點(diǎn)的等不一而足。根據(jù)菲涅爾聚光鏡空間形狀分為平板狀，弧形和其它類型。平板型 2又分為曲折面為入射面，光面為入射面和全反射楞型；弧型分為拱形和球冠狀；其它類型為利用菲涅爾聚光鏡原理而制造出來的復(fù)雜的 菲涅爾聚光器，存在形式多種多樣，就目前有兩種或兩種以上楞型結(jié)合，多焦點(diǎn)等。 基本用途 目前， 菲涅爾 透鏡主要被用于太陽能聚光集熱器、照明器和投影系統(tǒng)中。如將 菲涅爾 透鏡 用于照明系統(tǒng)， 可獲得更為柔和、均勻的光分布的照明狀態(tài) ；在太陽能利用方面 ,大口徑的 菲涅爾 透鏡作為聚光系統(tǒng) ,可以盡可能多地吸收來自太陽的 能量；在大屏幕投影系統(tǒng)中 ,使用 菲涅爾 透鏡代替昂貴而笨重的球面透鏡為準(zhǔn)直投影系統(tǒng) ,可以大大降低成本。 另外，在 感器中， 菲涅爾透鏡作用有兩個(gè)：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號(hào)折射（反射）在 ，第二個(gè)作用是將探測(cè)區(qū)域內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測(cè)區(qū)域的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在 產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)。 南京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 6 - 術(shù)語和參數(shù) 菲涅爾 透鏡的一般參數(shù)與常規(guī)透鏡，如平凸透鏡相同，如孔徑D、焦距 f、 F 等，同時(shí) 菲涅爾 透鏡的還具有一 些特殊的技術(shù)參數(shù)，包括：工作側(cè)面角 、干擾側(cè)面角 、槽寬、槽根半徑和槽峰半徑等。設(shè)計(jì) 菲涅爾 透鏡主要就是確定每個(gè)環(huán)帶的齒形。 菲涅爾 透鏡的棱形槽一般為每毫米 2 到 8 個(gè)，高水平的加工工藝可達(dá)每毫米 20個(gè)槽左右。 件 3 美國 司出品的光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)和光學(xué)系統(tǒng)分析軟件。該軟件是 一個(gè)用來模擬、分析和輔助設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的程序，可 將實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念、優(yōu)化、分析、公差以及報(bào)表集成在一起，是一套功能極為強(qiáng)大的綜合性光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 。 光線追跡的方法 三種光線 追跡方法： 于傳統(tǒng)的透鏡成像系統(tǒng)設(shè)計(jì) 。 特點(diǎn)： (1)以光學(xué)面為對(duì)象來構(gòu)建光學(xué)系統(tǒng)模型； (2)光線從物面開始（常為面 0）按光學(xué)面的順序計(jì)算（面 0,1,2），對(duì)每個(gè)光學(xué)面只計(jì)算一次； (3)每個(gè)面都有物空間和像空間； 南京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 7 - (4)需要計(jì)算的光線少，計(jì)算速度快； (5)可進(jìn)行分析、優(yōu)化及公差計(jì)算。 稱有端口非序列方法（ 用于同時(shí)有序列元件和非序列元件的系統(tǒng)，如望遠(yuǎn)鏡等。 特點(diǎn)： (1)所有對(duì)象都是三維體結(jié)構(gòu)，而非單個(gè)面，并用空間坐標(biāo)系定義其位置； (2)光 線從入光端口進(jìn)入非序列元件（組），從出光端口離開； (3)光線在 一直追跡，直到它遇到下列情況才終止：無物體、出光端口或能量低于定義的閾值； (4)忽略非序列元件內(nèi)的光源和探測(cè)器； (5)進(jìn)入非序列元件的光線的特性，由序列性的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如視場(chǎng)位置和瞳的大小等決定。 稱無端口非序列方法（ 用于只有非序列元件的光學(xué)系統(tǒng)。 特點(diǎn)： (1)需要定義光源的發(fā)光特性和位置，定義探測(cè)器收集光線； (2)光線一直被追跡，直到它遇到下列情況才終止：無物體或能量低于定義的閾值； 南京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 8 - (3)計(jì)算時(shí)光學(xué)元件的相對(duì)位置由空間坐標(biāo)確定； (4)這種情況下，可以對(duì)光線進(jìn)行分光、散射、衍射、反射或折射； (5)對(duì)同一元件，可同時(shí)進(jìn)行穿透、反射、吸收及散射的特性計(jì)算，無法作優(yōu)化及公差分析。 面型和垂度 在 序列模式下進(jìn)行鏡頭的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，是以“面”為單位來建立模型的，程序把每個(gè)鏡頭看作是由空間位置、曲率、材料等不同的幾個(gè)面組成的，光線追跡時(shí)也是按面的序號(hào)逐面進(jìn)行，且各面只被追跡一次，因此各面的面型將直接影響鏡頭的外觀和性能。不管是序列還是非序列元件，選擇和確定合適的面型 都是 尤為重要的。供了豐富的資料庫，與實(shí)際需要相同，最常用的面型為球面和非球面，用戶也可自行設(shè)計(jì)其他面型。 垂度函數(shù)來表征面型 。 下表為不同面型與圓錐常數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系： 南京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 9 - 表 1 面型與圓錐常數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系 面 型 K 1 圓（球）面 0 1 拋物面 雙曲面 1 0 長橢圓面 01 K 10 P 扁橢圓面 0 0 根據(jù)該表，可在 對(duì)所設(shè)計(jì)的透鏡的面型進(jìn)行設(shè)置，球面的垂度表達(dá)式為 ： 各參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：曲率 ，徑向坐標(biāo) r Y 軸坐標(biāo) y，圓錐常數(shù) ，i為高次項(xiàng)系數(shù)。設(shè)計(jì)好并滿足技術(shù)要求的透鏡及其面型可通過提取 c、 r、 K 等參數(shù)得到鏡面各點(diǎn)的垂度表達(dá)式，從而在工藝上按鏡面各點(diǎn)的垂度鑄模、刻槽，制造出所需的透鏡 。 二、 菲涅爾透鏡的一般設(shè)計(jì)方法 楞高度角計(jì)算方法 圖 2為弧形基面菲涅爾透鏡光線聚集的原理示意圖，設(shè)一點(diǎn)光源南京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 10 - 處在光軸 F 點(diǎn)，它的光束從光軸 F 點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)過介質(zhì)到達(dá)透鏡折射聚焦于透鏡的另一側(cè) F 。而一束光線通過透鏡的第 i 楞折射，經(jīng)過 A ，折射至 B ，然后折射于聚焦點(diǎn) F 。圖 3為圖 2中的第 i 楞尖劈透鏡元橫截面的局部放大圖，由圖 3可見，一束光線通過透鏡的第 i 楞經(jīng)過 了兩個(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的圓心和橫切面的中心。4 圖 2 菲涅爾透鏡原理圖 圖 3 第 i 楞局部圖 根據(jù)光的 折射定律： 12s i n s i n s i n s i (2其中，1取1 1N，2, , ,i i i i 分別為透鏡兩側(cè)的入射角和折射角；i為入射光與光軸 夾 角， i為折射光與光軸 夾 角，通常稱其為第 i 楞南京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 11 - 尖劈透鏡元的入射光偏向角； f 和 f 分別為 F 和 F 到光軸 O 點(diǎn)的距離； R 為菲涅爾透鏡的 圓弧曲率半徑， r 為球冠的外廓半徑。根據(jù)幾何關(guān)系可有 i r v i i ， 此 為第 i 楞尖劈透鏡元的楞高度角 ， 則： i i (2i v i (2i v (2 (2由 22： s i n ( )s i n (2 22s i n ( )c o s u (2將 2 2入 2有： s i n s i n ( )s i n s i n ( )i v ii v i W (2展開有： s i n c o s c o s s i n s i n c o s ( ) c o s s i n ( )v i v i v i i v i iu u N W N W (2則： s i n ( ) s i n t a n c o s c o s ( )i i iv i i W (2將 22入 2 : 南京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 12 - 2 2 2 2 2 2 2 2 s i n s i n ( ) c o s s i n ( ) s i nt a nc o s c o s s i n ( ) s i n s i n ( )s i n s i n ( ) c o s s i n ( ) s i nt a nc o s c o s s i n ( ) s i n s i n ( )i i i i i i i i i i i ii i i i i i i i i i i u w w u w uu w N u w w u u w w u w ua r cu w N u w w u w (2則： 2 2 2 2 s i n s i n ( ) c o s s i n ( ) s i nt a nc o s c o s s i n ( ) s i n s i n ( )i i i i i i i i i i i u w w u w uw a r cu w N u w w u w (2式 2為菲涅爾透鏡的一般設(shè)計(jì)公式，根據(jù)該公式可以計(jì)算出使光軸上任意點(diǎn)光源聚光到特定成像面的第 i 楞透鏡元楞高度角。 楞高計(jì)算方法 以光線恰好通過第 i 楞 的中心作為入射光的計(jì)算點(diǎn)，設(shè)定每一楞寬度為 l ，入射光到出射光的在光軸方向上的高度為 ,圖。 圖 4 第 i 楞局部尺寸圖 如圖易得： a r c s i n ( )t a n ( ) t a n ( )ir i rt k k N (2南京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 13 - (21 (22 ( ) t a n vy h t (2由 2 2 12 s i n ( c o s ) t a r y y t (2將 2 2解有： s i n c o s t a i n ( )1 t a n ( a r c s i n ( ) ) t a nr r (2則： 2 2 2 2 2 2 s i n s i n ( ) c o s s i n ( ) s i ns i n c o c o s c o s s i n ( ) s i n s i n ( )s i n s i n ( ) c o s s i n ( ) s i ns i n ( )1 t a n ( a r c s i n ( ) )c o s c o si i i i i i i i i i i ii i i i i i u w w u w w N u w w u u w w u w 2 2 s i n ( ) s i n s i n ( )i i i i iN u w w u w (2式 2般地由于其尺寸較小，為方便計(jì)算可忽略，但是如果透鏡本身尺寸也很小時(shí)，就必須代入計(jì)算。 菲涅爾透鏡的一般設(shè)計(jì)公式 根據(jù)圖 2，可以得出： a rc s )ii (2 )ii (2其中： 2 2 2 2f R r R r (2南京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 14 - 則有： 2 2 2 2a r c t a n ( ) r R r (222 a r c t a n ( ) R r (2其中： r t(222 r k (2 a r c t a n ( )ii (2a r c s i n ( )t a n ( ) t a n ( )ir i rt k k N (2將 222 2入 2有：22222222s i n a r c t a n ( ) a r c s i n ( ) s i n ( a r c t a n ( ) a r c s i n ( ) ) s i n ( a r c t a n ( ) )a r c s i n ( ) a r c t a nc o s ( a r c t a n ( ) ) s i n a r c t a n ( ) a r c s i n ( ) s i n ( a r c t i i i i i i r r r r r R R R R f rr t r r k R R R R n ( ) a r c s i n ( ) )(2一般地由于 f 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大 于 k ，故 k 可忽略不計(jì)。但是，如果 f 尺寸較小， k 值對(duì)楞型參數(shù)影響較大時(shí)，可以通過迭代法求出菲涅爾透鏡的楞參數(shù)。很顯然在上面公式可以看出給定不同的條件，可以對(duì)菲涅爾透鏡進(jìn)行設(shè)計(jì)。下面為特定狀況下菲涅爾透鏡設(shè)計(jì)公式。 平行光從光面入射， ,0 ，則式 2為 ： 22222s i nc i nc i ns i nc i ns i na r c t a (2南京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 15 - 平行光從曲折面入射 ， , 0 ，則式 2為： 2222s i n s i n ( ) c o s s i n ( ) a r c t a n (1 c o s s i n ( ) s i n s i n ( )i i i i i i i i i u W W u u W W u W (2如果當(dāng) R 趨近于無限大是， 時(shí)為平板菲涅爾透鏡。其公式為： 22s i n s i n a r c t a n ( )s i n c o s u u(2對(duì)應(yīng)的焦距為 ： (2平面楞型朝內(nèi)，平行光從光面入射， ,0 ，則式 2 s i n a r c t a n ( )c o s ii (2平面楞型朝外，平行光從曲折面入射， , 0 ，則式 2 22s i na r c t a n ( )s i n 1 (2三、 聚光器件材料 特性分析 制造菲涅爾透鏡有多種材料，但是其中 用領(lǐng)域廣泛 。 由于聚光器件多為戶外運(yùn)行，工作環(huán)境相對(duì)惡劣， 是一種開發(fā)較早的重要熱塑性塑料，具有較好的透明性、化學(xué)穩(wěn)定性和耐候性，易染色，易加工，外觀優(yōu)美，廣泛應(yīng)用于航空、汽車、電于、醫(yī)療、化 工、建材，衛(wèi)浴以及廣告標(biāo)牌等行業(yè)得到。 在這里由于 學(xué)性能穩(wěn)定以及對(duì)各類型波長透過率高達(dá) 92，故其作為一種太陽能非成像聚光透鏡材料具有較大優(yōu)南京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 16 - 勢(shì)。從圖 4碳酸酯和剛化乙烯基標(biāo)準(zhǔn)厚度(1 5的的透射率都大于 80。聚紅外 材料在標(biāo)準(zhǔn)厚度下，平均透光率從 40至 90不等。聚紅外材料 在范圍 上 的巨大差距表明，存在強(qiáng)烈的紅外吸收。圖 4 2 圖 5 各種材料對(duì)光譜透過范圍 圖 6 聚丙烯材料透過率 由于光學(xué)材料 里將和 肖特公司給出 55 480436和 1 500194，其色散公式為： 南京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 17 - 其中： n 為折射率 為波長 表 2 0 0 10 52 可以根據(jù)上列公式計(jì)算出太陽光各波長相對(duì)于光學(xué)材料 圖 7 南京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 18 - 四、 件仿真 實(shí)驗(yàn) 通過 我們 對(duì)影響菲涅爾透鏡聚光的刻槽密度 干擾側(cè)面角等進(jìn)行了仿真， 得出 模擬的光斑圖以及具體的聚光能量 ，在此基礎(chǔ)上， 利用多鏡組合和圓柱面菲涅爾透鏡， 進(jìn)一步改善菲涅爾 透鏡的 聚焦 效果 。 晴好天氣下太陽垂直照到地球表面的平均輻射光強(qiáng)為 180w/ 2m ， 為了 模擬太陽光，我們采用 180w 的 輻射光功率 ，而且是 三色的混合平行光源。 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 光源 參數(shù)： 表 3 光源參數(shù) 光源 平行光 光功率 180w 面積 36析線條數(shù) 10萬條 位置 （ 0， 0， 0） 說明：照射在菲涅爾透鏡上的光功率是 180*() w 菲 涅爾透鏡參數(shù)： 南京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 19 - 表 4 透鏡參數(shù) 參數(shù) 值 參數(shù) 值 相對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)位置（偏移或傾斜） (0,0,5) 干擾側(cè)面角之余角（ ） 0 材 料 n=R=透 鏡厚度 (5 口 徑 (60 中心曲率 半徑 (100 X 軸半寬（圓面 0 或柱面 1） 0 圓錐常數(shù) K 0 刻槽密度（ ） 次項(xiàng)系數(shù) 0 檢測(cè)器 ： 表 5 檢測(cè)器參數(shù) 檢測(cè)器 料 置 （ 0， 0， 面積 16素 150*150 顏色 2 南京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 20 - 圖 8 模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)參數(shù) 1. 刻槽密度 對(duì)菲涅爾聚光效果的影響 刻槽密度模擬數(shù)據(jù) ： 表 6 刻槽密度 模擬數(shù)據(jù) 刻槽密度 (/w/） w） 146 3 4 5 6 7 京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 21 - 刻槽密度對(duì)應(yīng)的 會(huì) 聚圖 像 ： 圖 9 -2/ 圖 10 -4/京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 22 - 圖 11 -6/析： 從以上的 數(shù)據(jù)可以看出，刻槽密度越大， 聚集的總功率 也越 大。光源的光功率是 180w，照射在 菲涅爾透鏡上的為 180*（ ） w，即141w，對(duì)于刻槽密度為 焦的總功率是 00%，即 同理， 效率為 效率為 從而聚光效率越來越大。但并不是刻槽密度越大越好，從圖像上得，當(dāng)密度增大時(shí)，照射的均勻度并不是理想 。 2. 面型 對(duì)菲涅爾聚光效果的影響 從 1 中得，在刻槽密度為 的聚焦總功率和均勻度相對(duì)較好，所以選取刻槽密度為 為固定值 ，改變圓錐常數(shù)k 值，即改變面型。 模擬數(shù)據(jù) ： 表 7 面型模擬數(shù)據(jù) 南京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 23 - 不同面型對(duì)應(yīng)的 會(huì)聚 圖 像： 圖 12 K= 13 K=型 K 值 w/） w） 雙曲面 150 物面 圓 面 京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 24 - 圖 14 K=析 ： 在刻槽密度相同的情況下， 當(dāng) K=，即雙曲面型，會(huì)聚的總功率為 K=0 時(shí) ，即球面，會(huì)聚的總功率為 比之下，匯聚效果提高了 同時(shí)，從探測(cè)器的接收?qǐng)D像得出，其會(huì)聚的均勻度也得到了 進(jìn)一步的提高。 3. 干擾側(cè)面角 對(duì)菲涅爾聚光效果的影 響： 圖 15 透鏡表面的 尖劈透鏡元 如圖所示，對(duì)于尖劈透鏡元的干擾側(cè)面角，需要選擇合適的大小，若為 0，則會(huì)對(duì)自身的尖劈的折射光線產(chǎn)生影響，而如果比較大，則會(huì)對(duì)相鄰的尖劈的折射光線產(chǎn)生影響。 我們通過 擾側(cè)面角對(duì) 的 聚光作用 。 南京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 25 - 數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖： 刻槽密度（- 2 ）度)聚焦總功率（w）系列1圖 16 刻槽密度為（ 刻槽密度（- 4 ）聚焦總功率（w）系列1圖 17 刻槽密度為（ 刻槽密度（- 6 ）1051101151201250 ）聚焦總功率（w）系列1圖 18 刻槽密度為（ 南京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 26 - 刻槽密度（- 8 ）聚焦總功率（w）系列1圖 19 刻槽密度為（ 分析： 從仿真的數(shù)據(jù)可得 ，對(duì)于刻槽密度較小的菲涅爾透鏡，較大的干擾側(cè)面角有利于光能的會(huì)聚 ;而對(duì)于刻槽密度較大的菲涅爾透鏡，較小的干擾側(cè)面角對(duì)光能的會(huì)聚更有利。 這和理 論的研究一致，因?yàn)樵诳滩勖芏容^小的情況下，尖劈透鏡元相距較遠(yuǎn)，光線通過尖劈透鏡元的折射光線對(duì)相鄰的透鏡元影響較小，進(jìn)而適當(dāng)?shù)脑龃蟾蓴_側(cè)面角有利于折射光線的接收，而當(dāng)刻槽密度越大時(shí)，相鄰?fù)哥R元之間的折射光線影響較大，不宜選擇較大的側(cè)面角。 4. 圓柱面型菲涅爾透鏡對(duì)聚光的作用 我們一般使用的是聚焦成一個(gè)光斑的透鏡，但用在類似于太陽能電池板等對(duì)均勻度要求較高的場(chǎng)合 ，使用焦斑為線型 的菲涅爾透鏡效果更好。 因此，我們用 件仿真出在圓柱面型下的菲涅爾透鏡。 A 其參數(shù)為 ： 表 8 圓柱面型系統(tǒng)參數(shù) 南京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 27 - 刻槽密度（ / 3 X 3 B 其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下： 圖 20 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖 21 系統(tǒng) 3D 結(jié)構(gòu) 南京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 28 - C仿真的結(jié)果與分析：圖 22 追蹤會(huì)聚光斑 從上圖 得 出，在圓柱面型菲涅爾透鏡的 聚光作用下，焦斑呈現(xiàn)出均勻的線型 。圓柱面型菲涅爾透鏡的實(shí)質(zhì)是在一塊一條條的透鏡元，光線在其作用下向中間的透鏡元折射，從而形成線型 焦斑。從模擬的結(jié)果得出，總功率為 功率為 180w，聚焦的效率為 %100*180 相對(duì)于點(diǎn)狀焦斑，比如最高效率 其能量利用率提高了 5%，最重要的是得到較大的均勻光斑面。 D 在此啟發(fā)下，我們又提出了一種使用多透鏡組合模型，其效果與圓柱面型類似。 南京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 29 - 圖 23 多鏡組合 簡單的說，多個(gè)透鏡的組合，增大了受光面積，同時(shí)，多個(gè)焦點(diǎn)的分布，可以達(dá)到均勻聚光，且增大照射的面積。 五、硬件實(shí)現(xiàn) 根據(jù) 研究的菲涅爾透鏡，設(shè)計(jì)出太陽能集光器的 結(jié)構(gòu)圖 ，此集光器由 透射會(huì)聚鏡片（ 1）、支撐框架（ 2）、太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)（ 3）、可調(diào)溫度的伸縮臂（ 4）、太陽能接收臺(tái)（ 5） 等組成，支架可拆裝，方便攜帶，其圖如下： 南京郵電大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（ 文 - 30