【毕业学位论文】（Word原稿）基于平板式菲涅尔透镜制作透射式太阳能集光器的Zemax软件仿真

南京邮电大学 大学生科技创新训练计划 文） 题目 ： 透射式 太阳能集光器 专 业： 光电信息工程 学生姓名学号： 指导教师： 指导单位： 光电工程学院 日期： 2011 年 4 月至 2012 年 4 月 南京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 1 - 摘 要 本项目 利用一种 平板式菲涅尔透镜制作 成 太阳能集光器 ， 在保证太阳能利用率的基础上，能够使光能量分布均匀，转化为热能的效率增强 ， 属于制造太阳能利用设备的技术领域。 在结合 菲涅尔透镜聚光原理的 基础上，利用 件进行仿真，实现光利用率的最大化 。 本文 在 纯非序列 下 进行讨论， 对刻槽密度 、 干扰侧面角 、 面型以及多镜组合等进行仿真 ,得出在不同参数下聚光的能量 大小 以及聚焦的均匀程度。 本次研究的一大特色就是使用 菲涅尔 透镜取代传统的玻璃透镜，并 在此基础上， 创造性的 提出多镜组合和圆柱面型 菲涅尔透镜，进一步优化菲涅尔透镜 利用效率 。 关键词： 太阳能集光器 菲涅 尔 透镜 纯非序列 南京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 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 京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 3 - 引言 新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。 而 太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源 ， 具有安全可靠、无噪声、无污染 等优点， 我国 地域辽阔，人口众多，是能源消费的大国，如果太阳能能够得到有效利用，这将会对环境，对经济产生巨大的效益 1。 目前对太阳能的利用分为反射式和透射式两种形式，早期的研究人员对反射 利用方 式进行深入的研究，但在反射率，即光能的利用上受到限制，而 对于 透射式的 利用率相 比之下就大大提高。 考虑到 菲涅尔 透镜 相比常规透镜，如正光焦度的平凸透镜，有着众多优点：重量轻、材料来源丰富、制作成本低、制作方便、口径大、厚度薄。 在此基础上， 我们采用多块菲涅尔透镜互相接合的结构，可折叠存放节省空间； 采用 可调节的主支架和次支架，可改善光的汇聚效果，调节接受角度和范围，增大太阳能的利用率 。 另外，由于 地球绕极轴以 15 / h 的速度自西向东的自转以及围绕太阳的公转引起太阳光方向及强度的不断变化 ，在支架底部配置自动跟踪系统，实现实时跟踪。 最后，本课题的研究，在实际的 生活领域也有着广泛的应用。 由于 本发明 的实物 结构简单、尺寸小、造价低廉、易于实现并具有良好的加热效果， 所以 适合室外的餐饮加热。 南京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 4 - 一、 基本理论 菲涅 尔 透镜 菲涅尔透镜是由法国物理学家 奥古斯汀 在 1822 年所发明的一种透镜，与传统的球面或非球面透镜相比，菲涅尔透镜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， 如图一所示。 因此，菲涅尔透镜结构简单，便于制造，在重量和体积上比一般透镜更轻、更薄，在设计上可以获得更大的孔径与焦距比。 图 1 菲涅尔透镜 基本原理 其工作原理十分简单：假设一个透镜的折射能量仅仅发生在光学表面（如：透镜表面），拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度。 另外一种理解就是，透镜连续表面部分 “ 坍陷 ” 到一个平面上。从剖面看，其表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。每个凹槽都 与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透镜的焦点。每个凹槽都可以 看南京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 5 - 作 一个独立的小透镜，把光线调整成平行光或 汇聚 光。这种透镜还能够消除部分 球型 像差。 透镜分类 国内外，对菲涅尔聚光器研究非常多，菲涅尔透镜的发展也越来越复杂，应用功能各异，各种分类都不尽相同：有透射型的，有反射型的；有平板行的，有弧型的；有单焦点，有多焦点的等不一而足。根据菲涅尔聚光镜空间形状分为平板状，弧形和其它类型。平板型 2又分为曲折面为入射面，光面为入射面和全反射楞型；弧型分为拱形和球冠状；其它类型为利用菲涅尔聚光镜原理而制造出来的复杂的 菲涅尔聚光器，存在形式多种多样，就目前有两种或两种以上楞型结合，多焦点等。 基本用途 目前， 菲涅尔 透镜主要被用于太阳能聚光集热器、照明器和投影系统中。如将 菲涅尔 透镜 用于照明系统， 可获得更为柔和、均匀的光分布的照明状态 ；在太阳能利用方面 ,大口径的 菲涅尔 透镜作为聚光系统 ,可以尽可能多地吸收来自太阳的 能量；在大屏幕投影系统中 ,使用 菲涅尔 透镜代替昂贵而笨重的球面透镜为准直投影系统 ,可以大大降低成本。 另外，在 感器中， 菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在 ，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在 产生变化热释红外信号。 南京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 6 - 术语和参数 菲涅尔 透镜的一般参数与常规透镜，如平凸透镜相同，如孔径D、焦距 f、 F 等，同时 菲涅尔 透镜的还具有一 些特殊的技术参数，包括：工作侧面角 、干扰侧面角 、槽宽、槽根半径和槽峰半径等。设计 菲涅尔 透镜主要就是确定每个环带的齿形。 菲涅尔 透镜的棱形槽一般为每毫米 2 到 8 个，高水平的加工工艺可达每毫米 20个槽左右。 件 3 美国 司出品的光学镜头设计和光学系统分析软件。该软件是 一个用来模拟、分析和辅助设计光学系统的程序，可 将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表集成在一起，是一套功能极为强大的综合性光学设计软件 。 光线追迹的方法 三种光线 追迹方法： 于传统的透镜成像系统设计 。 特点： (1)以光学面为对象来构建光学系统模型； (2)光线从物面开始（常为面 0）按光学面的顺序计算（面 0,1,2），对每个光学面只计算一次； (3)每个面都有物空间和像空间； 南京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 7 - (4)需要计算的光线少，计算速度快； (5)可进行分析、优化及公差计算。 称有端口非序列方法（ 用于同时有序列元件和非序列元件的系统，如望远镜等。 特点： (1)所有对象都是三维体结构，而非单个面，并用空间坐标系定义其位置； (2)光 线从入光端口进入非序列元件（组），从出光端口离开； (3)光线在 一直追迹，直到它遇到下列情况才终止：无物体、出光端口或能量低于定义的阈值； (4)忽略非序列元件内的光源和探测器； (5)进入非序列元件的光线的特性，由序列性的系统数据，如视场位置和瞳的大小等决定。 称无端口非序列方法（ 用于只有非序列元件的光学系统。 特点： (1)需要定义光源的发光特性和位置，定义探测器收集光线； (2)光线一直被追迹，直到它遇到下列情况才终止：无物体或能量低于定义的阈值； 南京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 8 - (3)计算时光学元件的相对位置由空间坐标确定； (4)这种情况下，可以对光线进行分光、散射、衍射、反射或折射； (5)对同一元件，可同时进行穿透、反射、吸收及散射的特性计算，无法作优化及公差分析。 面型和垂度 在 序列模式下进行镜头的设计和优化，是以“面”为单位来建立模型的，程序把每个镜头看作是由空间位置、曲率、材料等不同的几个面组成的，光线追迹时也是按面的序号逐面进行，且各面只被追迹一次，因此各面的面型将直接影响镜头的外观和性能。不管是序列还是非序列元件，选择和确定合适的面型 都是 尤为重要的。供了丰富的资料库，与实际需要相同，最常用的面型为球面和非球面，用户也可自行设计其他面型。 垂度函数来表征面型 。 下表为不同面型与圆锥常数的对应关系： 南京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 9 - 表 1 面型与圆锥常数的对应关系 面 型 K 1 圆（球）面 0 1 抛物面 双曲面 1 0 长椭圆面 01 K 10 P 扁椭圆面 0 0 根据该表，可在 对所设计的透镜的面型进行设置，球面的垂度表达式为 ： 各参数的对应关系为：曲率 ，径向坐标 r Y 轴坐标 y，圆锥常数 ，i为高次项系数。设计好并满足技术要求的透镜及其面型可通过提取 c、 r、 K 等参数得到镜面各点的垂度表达式，从而在工艺上按镜面各点的垂度铸模、刻槽，制造出所需的透镜 。 二、 菲涅尔透镜的一般设计方法 楞高度角计算方法 图 2为弧形基面菲涅尔透镜光线聚集的原理示意图，设一点光源南京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 10 - 处在光轴 F 点，它的光束从光轴 F 点出发，经过介质到达透镜折射聚焦于透镜的另一侧 F 。而一束光线通过透镜的第 i 楞折射，经过 A ，折射至 B ，然后折射于聚焦点 F 。图 3为图 2中的第 i 楞尖劈透镜元横截面的局部放大图，由图 3可见，一束光线通过透镜的第 i 楞经过 了两个光学界面的折射，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的圆心和横切面的中心。4 图 2 菲涅尔透镜原理图 图 3 第 i 楞局部图 根据光的 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 分别为透镜两侧的入射角和折射角；i为入射光与光轴 夹 角， i为折射光与光轴 夹 角，通常称其为第 i 楞南京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 11 - 尖劈透镜元的入射光偏向角； f 和 f 分别为 F 和 F 到光轴 O 点的距离； R 为菲涅尔透镜的 圆弧曲率半径， r 为球冠的外廓半径。根据几何关系可有 i r v i i ， 此 为第 i 楞尖劈透镜元的楞高度角 ， 则： 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将 2 2入 2有： s i n s i n ( )s i n s i n ( )i v ii v i W (2展开有： 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则： s i n ( ) s i n t a n c o s c o s ( )i i iv i i W (2将 22入 2 : 南京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 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则： 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为菲涅尔透镜的一般设计公式，根据该公式可以计算出使光轴上任意点光源聚光到特定成像面的第 i 楞透镜元楞高度角。 楞高计算方法 以光线恰好通过第 i 楞 的中心作为入射光的计算点，设定每一楞宽度为 l ，入射光到出射光的在光轴方向上的高度为 ,图。 图 4 第 i 楞局部尺寸图 如图易得： a r c s i n ( )t a n ( ) t a n ( )ir i rt k k N (2南京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 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将 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则： 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般地由于其尺寸较小，为方便计算可忽略，但是如果透镜本身尺寸也很小时，就必须代入计算。 菲涅尔透镜的一般设计公式 根据图 2，可以得出： a rc s )ii (2 )ii (2其中： 2 2 2 2f R r R r (2南京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 14 - 则有： 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将 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 远远大 于 k ，故 k 可忽略不计。但是，如果 f 尺寸较小， k 值对楞型参数影响较大时，可以通过迭代法求出菲涅尔透镜的楞参数。很显然在上面公式可以看出给定不同的条件，可以对菲涅尔透镜进行设计。下面为特定状况下菲涅尔透镜设计公式。 平行光从光面入射， ,0 ，则式 2为 ： 22222s i nc i nc i ns i nc i ns i na r c t a (2南京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 15 - 平行光从曲折面入射 ， , 0 ，则式 2为： 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如果当 R 趋近于无限大是， 时为平板菲涅尔透镜。其公式为： 22s i n s i n a r c t a n ( )s i n c o s u u(2对应的焦距为 ： (2平面楞型朝内，平行光从光面入射， ,0 ，则式 2 s i n a r c t a n ( )c o s ii (2平面楞型朝外，平行光从曲折面入射， , 0 ，则式 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 制造菲涅尔透镜有多种材料，但是其中 用领域广泛 。 由于聚光器件多为户外运行，工作环境相对恶劣， 是一种开发较早的重要热塑性塑料，具有较好的透明性、化学稳定性和耐候性，易染色，易加工，外观优美，广泛应用于航空、汽车、电于、医疗、化 工、建材，卫浴以及广告标牌等行业得到。 在这里由于 学性能稳定以及对各类型波长透过率高达 92，故其作为一种太阳能非成像聚光透镜材料具有较大优南京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 16 - 势。从图 4碳酸酯和刚化乙烯基标准厚度(1 5的的透射率都大于 80。聚红外 材料在标准厚度下，平均透光率从 40至 90不等。聚红外材料 在范围 上 的巨大差距表明，存在强烈的红外吸收。图 4 2 图 5 各种材料对光谱透过范围 图 6 聚丙烯材料透过率 由于光学材料 里将和 肖特公司给出 55 480436和 1 500194，其色散公式为： 南京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 17 - 其中： n 为折射率 为波长 表 2 0 0 10 52 可以根据上列公式计算出太阳光各波长相对于光学材料 图 7 南京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 18 - 四、 件仿真 实验 通过 我们 对影响菲涅尔透镜聚光的刻槽密度 干扰侧面角等进行了仿真， 得出 模拟的光斑图以及具体的聚光能量 ，在此基础上， 利用多镜组合和圆柱面菲涅尔透镜， 进一步改善菲涅尔 透镜的 聚焦 效果 。 晴好天气下太阳垂直照到地球表面的平均辐射光强为 180w/ 2m ， 为了 模拟太阳光，我们采用 180w 的 辐射光功率 ，而且是 三色的混合平行光源。 系统的设计 光源 参数： 表 3 光源参数 光源 平行光 光功率 180w 面积 36析线条数 10万条 位置 （ 0， 0， 0） 说明：照射在菲涅尔透镜上的光功率是 180*() w 菲 涅尔透镜参数： 南京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 19 - 表 4 透镜参数 参数 值 参数 值 相对坐标原点位置（偏移或倾斜） (0,0,5) 干扰侧面角之余角（ ） 0 材 料 n=R=透 镜厚度 (5 口 径 (60 中心曲率 半径 (100 X 轴半宽（圆面 0 或柱面 1） 0 圆锥常数 K 0 刻槽密度（ ） 次项系数 0 检测器 ： 表 5 检测器参数 检测器 料 置 （ 0， 0， 面积 16素 150*150 颜色 2 南京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 20 - 图 8 模拟系统结构图 菲涅尔透镜的设计参数 1. 刻槽密度 对菲涅尔聚光效果的影响 刻槽密度模拟数据 ： 表 6 刻槽密度 模拟数据 刻槽密度 (/w/） w） 146 3 4 5 6 7 京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 21 - 刻槽密度对应的 会 聚图 像 ： 图 9 -2/ 图 10 -4/京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 22 - 图 11 -6/析： 从以上的 数据可以看出，刻槽密度越大， 聚集的总功率 也越 大。光源的光功率是 180w，照射在 菲涅尔透镜上的为 180*（ ） w，即141w，对于刻槽密度为 焦的总功率是 00%，即 同理， 效率为 效率为 从而聚光效率越来越大。但并不是刻槽密度越大越好，从图像上得，当密度增大时，照射的均匀度并不是理想 。 2. 面型 对菲涅尔聚光效果的影响 从 1 中得，在刻槽密度为 的聚焦总功率和均匀度相对较好，所以选取刻槽密度为 为固定值 ，改变圆锥常数k 值，即改变面型。 模拟数据 ： 表 7 面型模拟数据 南京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 23 - 不同面型对应的 会聚 图 像： 图 12 K= 13 K=型 K 值 w/） w） 双曲面 150 物面 圆 面 京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 24 - 图 14 K=析 ： 在刻槽密度相同的情况下， 当 K=，即双曲面型，会聚的总功率为 K=0 时 ，即球面，会聚的总功率为 比之下，汇聚效果提高了 同时，从探测器的接收图像得出，其会聚的均匀度也得到了 进一步的提高。 3. 干扰侧面角 对菲涅尔聚光效果的影 响： 图 15 透镜表面的 尖劈透镜元 如图所示，对于尖劈透镜元的干扰侧面角，需要选择合适的大小，若为 0，则会对自身的尖劈的折射光线产生影响，而如果比较大，则会对相邻的尖劈的折射光线产生影响。 我们通过 扰侧面角对 的 聚光作用 。 南京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 25 - 数据处理结果如图： 刻槽密度（- 2 ）度)聚焦总功率（w）系列1图 16 刻槽密度为（ 刻槽密度（- 4 ）聚焦总功率（w）系列1图 17 刻槽密度为（ 刻槽密度（- 6 ）1051101151201250 ）聚焦总功率（w）系列1图 18 刻槽密度为（ 南京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 26 - 刻槽密度（- 8 ）聚焦总功率（w）系列1图 19 刻槽密度为（ 分析： 从仿真的数据可得 ，对于刻槽密度较小的菲涅尔透镜，较大的干扰侧面角有利于光能的会聚 ;而对于刻槽密度较大的菲涅尔透镜，较小的干扰侧面角对光能的会聚更有利。 这和理 论的研究一致，因为在刻槽密度较小的情况下，尖劈透镜元相距较远，光线通过尖劈透镜元的折射光线对相邻的透镜元影响较小，进而适当的增大干扰侧面角有利于折射光线的接收，而当刻槽密度越大时，相邻透镜元之间的折射光线影响较大，不宜选择较大的侧面角。 4. 圆柱面型菲涅尔透镜对聚光的作用 我们一般使用的是聚焦成一个光斑的透镜，但用在类似于太阳能电池板等对均匀度要求较高的场合 ，使用焦斑为线型 的菲涅尔透镜效果更好。 因此，我们用 件仿真出在圆柱面型下的菲涅尔透镜。 A 其参数为 ： 表 8 圆柱面型系统参数 南京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 27 - 刻槽密度（ / 3 X 3 B 其系统结构图如下： 图 20 系统结构 图 21 系统 3D 结构 南京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 28 - C仿真的结果与分析：图 22 追踪会聚光斑 从上图 得 出，在圆柱面型菲涅尔透镜的 聚光作用下，焦斑呈现出均匀的线型 。圆柱面型菲涅尔透镜的实质是在一块一条条的透镜元，光线在其作用下向中间的透镜元折射，从而形成线型 焦斑。从模拟的结果得出，总功率为 功率为 180w，聚焦的效率为 %100*180 相对于点状焦斑，比如最高效率 其能量利用率提高了 5%，最重要的是得到较大的均匀光斑面。 D 在此启发下，我们又提出了一种使用多透镜组合模型，其效果与圆柱面型类似。 南京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 29 - 图 23 多镜组合 简单的说，多个透镜的组合，增大了受光面积，同时，多个焦点的分布，可以达到均匀聚光，且增大照射的面积。 五、硬件实现 根据 研究的菲涅尔透镜，设计出太阳能集光器的 结构图 ，此集光器由 透射会聚镜片（ 1）、支撑框架（ 2）、太阳能自动跟踪系统（ 3）、可调温度的伸缩臂（ 4）、太阳能接收台（ 5） 等组成，支架可拆装，方便携带，其图如下： 南京邮电大学大学生科技创新训练计划（ 文 - 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