摘 要

随着全球科技的发展，新能源如风能、太阳能等被广泛应用于社会生活中。太阳能作为一种清洁、可持续的能源，在发电领域受到很多国家青睐。在太阳能光伏发电应用技术中，聚光器在提升太阳电池效率上面起了很大作用，而菲涅尔透镜在其中被广泛应用。

本论文首先对LED进行介绍，并研究了太阳光的聚集原理和非成像光学理论等光学知识，接着探讨了菲涅尔透镜的光学原理，找出相关公式，了解了影响菲涅尔聚光镜设计的一些因素。然后在光学软件Tracepro中建立了菲涅尔聚光透镜模型，导入LED光源文件，进行光学仿真并分析结果。

关键词：LED，菲涅尔透镜，光学仿真

Abstract

With the development of global technology, new energy such as wind and solar power is widely used in social life. Solar energy as a kind of clean and sustainable energy, favoured by many countries in the field of power generation. In photovoltaic application technology, the condenser on the solar cell efficiency played a big role, the Fresnel lens is widely used in it.

This paper first to introduce the LED, and studied optical knowledge such as the sunlight accumulation theory and theory of nonimaging optics, then discusses the Fresnel lens optical principle, find out the related formula, to understand the factors affecting the Fresnel lens design. Then establish Fresnel condenser lens model in the optical software Tracepro, import LED light source file, optical simulation and analysis results.

Key words: LED, Fresnel Lens, Optical simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景 1

1.2菲涅尔聚光镜研究现状 1

1.3研究内容及目的、方案 2

第2章 LED原理及洗墙灯介绍 3

2.1LED原理相关介绍 3

2.1.1LED原理 3

2.1.2LED特点 3

2.1.3LED应用 4

2.2洗墙灯介绍 5

第3章 菲涅尔聚光镜设计的理论基础 6

3.1光度学基本理论 6

3.1.1光学基本概念 6

3.1.2非成像原理 8

第4章 菲涅尔透镜原理及设计方法 10

4.1菲涅尔透镜简介 10

4.1.1菲涅尔透镜原理 10

4.1.2菲涅尔透镜分类 11

4.2菲涅尔透镜设计原理 11

第5章 Tracepro光学仿真及分析 18

5.1Tracepro软件介绍 18

5.2仿真具体过程 18

5.2.1导入LED光源 18

5.2.2LED光源效果 20

5.2.3建立菲涅尔透镜模型 21

5.2.4LED光源仿真结果分析 22

第6章 总结与展望 27

6.1总结 27

6.2展望 27

参 考 文 献 28

致 谢 29

第1章 绪论

1.1课题研究的背景

进入21世纪，全球经济的快速增长导致传统化石能源如煤、石油等大量消耗，同时，由于CO2 的大量排放引起的全球变暖及生态环境恶化给人类带来了巨大的生存威胁。于是人们将目光转向了各种可持续能源，如风能、核能、潮汐能、太阳能等。从长远来看，太阳能干净、环保且可持续，是发电的最理想选择。

太阳能发电的基本装置是太阳电池，以达成光电转换。太阳电池的发电量与光照强度有关，在一定范围内，光照强度越大，发电量就越多，故应采取措施提升光照强度。聚光器是利用透镜或反射镜将太阳光聚焦到太阳电池上，太阳能聚光器按其聚光的方式分可以分为透射式聚光器和反射式聚光器,而这两种聚光器又在各自的领域有着不同的应用,目前应用于高倍聚焦太阳能发电的聚光器一般为透射式聚光器,在透射式聚光器中一个重要部件就是菲涅尔聚光镜。本文旨在探讨菲涅尔聚光镜在LED光源下的仿真情况，并对LED和菲涅尔透镜做深入学习了解。

1.2菲涅尔聚光镜研究现状

菲涅尔聚光镜基于非成像理论，目前，国内外的研究人员对变焦透镜在成像系统方向研究比较成熟，而对非成像光学系统研究却很少。市面上的照明透镜也主要以单一固定角度为主，但在很多特殊场合，需要用可变光束角透镜来实现照明的要求。2000年，上海理工大学的吉建华、陈家璧等人对菲涅耳透镜进行分析，提出改变透镜折射率来制作菲涅尔透镜。2007年清华大学赵彤新的A rchimedes螺线式菲涅尔透镜设计加工方法，简化了加工工艺。国外，美国Amonix公司已采用菲涅尔透镜建造了聚光比500倍的聚光光伏发电系统

1.3研究内容及目的、方案

通过光学仿真技术，重点解决玻璃硅胶菲涅尔聚光透镜设计问题，包括聚光过程中存在反射以及色散导致的能量损失和光斑弥散及光斑能量分布不均匀性仿真。完成的任务有：

1.了解非成像光学理论与太阳光聚集原理、学习菲涅尔聚光镜光学原理和设计

2.掌握光学软件Tracepro特点及使用方法

3.建立玻璃硅胶菲涅尔聚光透镜光学仿真模型

4.研究不同入射角对光线聚光率和光强分布的影响

方案：在Tracepro中建立菲涅尔透镜光学模型并定义属性等，导入LED光源，光线描光分析，分析光强等参数，得出结论。

第2章 LED原理及洗墙灯介绍

2.1LED原理相关介绍

LED(Light-Emitting Diode):发光二极管简称为LED。由含镓(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等的化合物制成。它是一种半导体组件，初时多用作为指示灯、显示发光二极管板等；随着白光LED的出现，也被用作照明。

砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光。因化学性质又分有机发光二极管OLED和无机发光二极管LED。

LED 被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。

2.1.1LED原理

LED核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。

2.1.2LED特点

LED色彩可以千变万化，它的基础是RGB显示原理，这种原理通常应用在电子显示屏上。通过对红绿蓝三原色进行精密程度的控制，可产生最多256³种最终的显示颜色，于是便产生了各种美丽炫目的灯光景象。

半导体照明产业在日新月异的发展，LED 光源正逐步取代以卤素灯、白炽灯、疝气灯等为主的传统光源。LED主要有以下几点优势：

（1） 安全环保。传统光源由于技术上的不够完美，制造出来后会对人体造成一定的伤害，这明显不符合人们对美好健康生活的希望。故而必定会被时代所淘汰。但LED光源对人体比较友好，克服了诸多缺点，是绿色光源

（2） 能耗低。单个LED是低电压驱动，工作时的电流非常微小，消耗功率极低

（3） 高效节能。LED发出的大部分都是可见光，且光学效率很高。且由于功耗比其它低，故受到越来越多厂商的青睐

（4） 寿命长。在现有的照明设备中，使用寿命最长的仅有 8000 小时，而 LED 平均寿命长达 10 万小时，是传统光源寿命的 10倍以上。

（5） 响应时间短。LED的响应速度非常快，多在几个微秒之间，这意味着可以在短时间内被大量使用 。

2.1.3LED应用

鉴于LED 的自身优势，目前主要应用于以下几大方面：

(1) 显示屏。在日常生活中，手表、街边门店的电子液晶滚动屏、各大城市人流量很多的商业广场、户外广场巨型显示屏等都是LED在实际社会生活中的具体应用。可以说应用得相当广泛，只是寻常人一般不会注意到罢了。可以想象，如果没有LED ，我们的生活又会失去多少的乐趣与美丽

2) 汽车车灯。纵观整个人类汽车工业的发展历程，汽车车灯的演化变革经历了几次大型的改变。从最初的卤素灯到白炽灯到疝气灯到如今的LED灯，甚至最近比较热门的激光大灯。汽车车灯的改变从某种程度上反映了人类出行方式的巨大变革与思想上的一个追求的飞跃。时至今日，车灯代表着汽车的时尚感，众多的汽车厂商选择通过LED来表达对当下主力消费人群的迎合。虽然激光灯代表着更高的科技进步，但它过高的成本使得LED在未来很长一段时间内将成为这一领域的佼佼者。这是毋庸置疑的事实。

(3) LED背光源。通过其自身的高效、安全、环保、寿命长等其他光源完全无法比拟的优点，LED在背光源这一专有领域得到了长远而稳定的持续发展，使用场景也是越来越广泛。

2.2洗墙灯介绍

洗墙灯，英文名Led wall washer，又叫线型LED投光灯。它的外形为长条形，也被人称为LED线条灯，具体的各种参数与LED投光灯多半相似，相对于LED投光灯的圆形结构，在散热方面LED洗墙灯高效而又优势。

洗墙灯的效果是让灯光照射到墙面时，显现出一副被水均匀洗过的外表。在当下这个科技高度发展，摩天大楼比比皆是的时代得到了很多应用

应用较多的LED洗墙灯基本上是选用1W大功率LED管(每个LED管会带有一个高光效透镜，材料是PMMA,其主要作用是二次分配LED管发出的光)。呈单线排列方式，而LED投光灯大多数都采用双排甚至多排的方式。大多数LED洗墙灯的LED管都是共用一个散热器，其发光角度一般有窄(20度左右)、中(50度左右)、宽(120度左右)三种，大功率LED洗墙灯的最远的有效投射距离为5-20米，其常用功率大概有9W、12W、18W、24W、36W等几种功率形式，而它们的常用外形尺寸一般为300、500、600、900、1000、1200、1500mm等几种，可以按实际工程应用选择不同的长度和功率密度。

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