聚光光伏发电可降低光伏发电成本, 提高太阳能电池的转换效率, 是光伏发电的发展趋势。Fresnel透镜是最常用的光伏聚光镜之一, 柱面Fresnel透镜其截面呈圆形, 与平板式Fresnel透镜相比, 可在一定程度上增加太阳光的收集角度。圆柱面Fresnel透镜由于棱镜单元非回转, 各棱镜单元参数各不相同, 其加工一般采用拼接方式, 不能实现一次成型加工。针对这些问题, 提出圆柱面Fresnel透镜一次成型的超精密加工方法, 研究加工过程中超精密机床运动参数与柱面Fresnel透镜几何参数之间的关系。对加工后的透镜进行了角度检测, 其角度加工误差小于0.02%, 说明加工方法具有极高的加工精度及准确性。

基于大口径、短焦距Fresnel透镜作为水下无线光传输(UWOT)系统中天线的应用需求,搭建了一套用于测量Fresnel透镜聚光性能的实验装置。采用450 nm和532 nm激光作为测试光源,获得了通光口径为75 mm、焦距为25 mm的Fresnel透镜聚光性能与透镜表面、激光波长、入射角之间的关系曲线,测量了激光入射角对450 nm和532 nm激光聚焦光斑的影响。实验结果表明:在相同的实验条件下,激光通过Fresnel透镜锯齿面的聚光效率要比平滑面高10%~15%;Fresnel透镜对532 nm激光的聚光效率要比450 nm激光高5.4%。随着激光入射角的增加,Fresnel透镜的聚光效率逐渐降低,入射角为0°时的聚光效率比±30°大25%以上。当激光入射角为5°时,450 nm激光聚焦光斑开始发生彗差畸变;当激光入射角增加至15°时,532 nm激光聚焦光斑开始发生彗差畸变。

Fresnel透镜是最常见的太阳能聚光镜之一, 曲面Fresnel透镜通常比平面Fresnel透镜具有更加优越的性能。基于非成像光学理论, 提出了一种新型曲面Fresnel透镜的设计方法。曲面Fresnel透镜采用圆锥曲面基底, 在满足Fresnel透镜机械参数要求的前提下, 实现Fresnel透镜第二工作面面型的求解。基于可加工性的要求, 利用该方法设计了不同形状的曲面Fresnel透镜, 通过光学仿真分析了曲面Fresnel透镜的结构参数对聚光镜会聚比、容忍角、光照均匀性的影响, 并分析了超精密加工条件下, 由于加工误差对光学效率的影响。该设计方法为参数化曲面Fresnel透镜的分析提供了一种新的途径。仿真结果表明, 具有小深宽比的曲面Fresnel透镜具有更好的均匀性和更高的能量利用率。