毕业论文（设计）圆柱面菲聂耳透镜的透射率研究

《毕业论文（设计）圆柱面菲聂耳透镜的透射率研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、柱面菲聂耳透镜的透射率研究摘要：针对不同焦宽比K的圆柱面菲涅耳透镜，分析了透射率随接收宽度的变化，给出了适用于曲而菲涅耳透镜设计的K值范围。并基于OTCP,分析了不同圆柱而菲涅耳透镜不同位置上的透射率与最优透射率Z差，得到了不同圆柱面菲涅耳透镜上相对损失最大的位置。最后，基于焦宽比变化对透射率的影响，提出了一种评估光线倾斜入射时的透射率的方法。关键词：岡柱面菲涅尔透镜，焦宽比，透射率0.引言菲涅耳透镜自发明以来，经不断的研究、完善结构设讣优化，其应用已经逐渐推向太阳能领域，国内部分厂家已经推出相关菲涅耳透镜用于聚光集热和聚光屮高温发电的应用案例，平板式菲涅耳透镜因其

2、结构简单，便于生产加工等优点，自然成为目前市场用菲涅耳透镜的首选。然而，平板式菲涅耳透镜的致命缺点在于其透射率随宽度增加而衰减太快。相较Z下，曲面菲聂耳透镜有着较好的性能。郑宏飞等分析了曲而菲涅尔透镜的优点，并提出了圆柱面菲涅耳透镜的三圆线设计方法，使所设计的圆柱面菲涅耳透镜更具均匀性和实用性⑴。菲涅耳公式是分析透镜透射性的主要理论基础。XinglongMa等人提出了一种通过优化透镜结构，从而达到使透镜透射率最大化的目的，其核心理论是"Theoptimaltransmittanceconditionofprism(OTCP)",即"三棱镜的最优投射条件”[2]o三棱

3、镜的最优透射条件描述为：当一条光线穿过三棱镜时，其在三棱镜内部的光路与三棱镜的入射面、出射面构成等腰三角形，且该光路是等腰三角形的底边时，入射角等于折射角，光线在入射面上的透射率等于出射面上的透射率，且此时的总透射率最大。三棱镜的最优透射条件可以理解为将透镜入射面和出射面上的反射损失等量化，使总反射损失最小，从而使透射率最大，其直观条件就是入射角等于出射角，那么依据最优透射条件设计出的透镜也必然是一个曲面菲聂耳透镜。然而，依据最优透射条件设计透镜是一个非常复杂的过程，实际设计中可以釆用一些规则曲面，如圆柱面、椭圆柱面、抛物柱面等代替设计。马兴龙等还从理论上分析了不同

4、曲面菲聂耳透镜的透射率随透镜宽度的变化，并得出圆柱面具有较好的透射性能的结论〔叭本文将针对圆柱面菲涅尔透镜，分析不同设计宽度条件下，透射率随透镜宽度的变化规律。并采用结构参数焦宽比来描述其特性。最后，依据光线倾斜入射时菲涅耳透镜的焦距变化规律，采用焦宽比了评估不同光线入射角时的透射率。需要说明的是，参考相关文献[2,3],本文将只针对s偏振光来分析。1.焦宽比三棱镜的最优透射条件定量的说明了透射率与入射角的关系，亦即与透镜结构的关系。对于同一种形状的透镜，如圆形，椭圆形，抛物线形等，采用最优透射条件进行设基金项H：本项H由国家自然科学基金项H(51576017)支持

5、。计，所得的相同形状不同尺寸大小的透镜在结构上具有相似性，如图1所示，因此，可以用一个无量纲数来表示这一系列形状相同而尺寸不同的菲涅尔透镜，这个无量纲参数就是“焦宽比”，记为K,表示菲涅耳透镜的焦距/与透镜开口宽度B的比值。(1)K=f/B那么图1所示的三个透镜具有相同的焦宽比，由于其结构上的相似，也保证了他们具有相同的透射性。图1.焦宽比示意图Fig.lSchematicoftheratiooffocallengthandaperturewidth取，为光线在透镜上表面的入射角，0为光线穿过透镜后的最大偏折角度，以经过透镜最边缘的光线为例，依据儿何关系，有：tan

6、0=——(2)2/BP：(5)(3)而又冇:(4)综合以上各式可得:由式（5）可见，透镜的焦宽比也可由最大入射角i和材料的相对折射率,7计算得到。而透镜的透射率也由入射角，和材料的相对折射率〃决定，在透镜的最边缘处，入射角最大为,，有最小透射率为：1-(6)'cosi一ncos(arcsin(sini/〃))icosi+ncos(arcsin(sinUn})丿结合（5,6）可以看出焦宽比和透射率是有一定的对应关系的，且Tmin-K函数关系非常复杂，下面通过数值计算來分析。以相対折射率为1.3〜1.6时，将透镜最小透射率与焦宽比的关系示于图2。可以看出：透镜材料的相对

7、折射率越小，透射率就越高，但是整体上都大致经历三个阶段：上升阶段，过渡阶段以及平稳阶段。上升阶段主要在K值小于1的情况下，在该段内随着K值的增加，透镜透射率迅速上升，不同相对折射下的透射率也迅速出现差异；过渡阶段处于K值在1〜2之间，该段内随着K值的增加，透射率的上升速率有明显变慢；随着K值的继续增大，透镜的透射率出现缓慢上升并逐渐趋于最大值（不考虑率材料对光能的吸收，平板材料在光线正入射时的透射率），即稳定阶段，对于较大K值（大于2）的菲涅耳透镜，其整体透射率已无差异且都比较髙，接近最大透射率。然而在该阶段内的K值是不适合设计菲涅耳透镜的，原因是透镜的采光宽度