太阳能集光：菲涅耳透镜设计原理探析

透镜是一种典型的折射式光学元件，可以将太阳光会聚在太阳电池上，如图7-1所示。为了会聚更多的太阳能，透镜的口径要做得比较大，这样透镜就会变得很重，使用的材料也较多。特别是将透镜置于追日系统中时，透镜的重量越大，给追日系统造成的负荷越大。

与常规的透镜相比，菲涅尔透镜可以实现常规透镜的功能，同时也可以有效地减轻重量，其工作原理很简单，如图7-2所示。假设透镜材料的折射率是均匀分布的，那么透镜的折射都是发生在表面上，即空气与透镜材料的界面上，菲涅耳透镜就是保持了透镜表面的曲率，把多余的材料去掉，如图7-2a、b所示，阴影部分中的材料被去掉，不会改变光线的走向。因此表面看起来是一环一环的锯齿状的沟槽结构，很像螺纹的结构。与传统的透镜相比，菲涅耳透镜加工的误差可能会大一些，但在非成像光学领域对公差的要求普遍比较低（与成像光学相比较），因此菲涅耳透镜在太阳能集光系统中的使用非常普遍。

图7-1 常规透镜会聚太阳光到太阳电池表面

如果将菲涅耳透镜作为一个聚焦透镜，直接把太阳光聚焦在太阳电池上如图7-3所示。这样尽管将太阳光会聚在了太阳电池上，但是太阳光在电池表面的辐射通量分布并不均匀，这种情况不仅仅会影响光电转换效率，甚至在一些极端情况下会烧坏太阳电池。(www.xing528.com)

因此通过菲涅耳透镜将太阳光折射到了太阳电池的表面，产生均匀的辐照度分布将是设计过程中需要重点考虑的问题。设计思路就是将入射到透镜的太阳光束按截面积进行等能量分割，控制等能量的太阳光入射到太阳电池等面积的区域如图7-4所示。

图7-2 菲涅耳透镜示意图