專利名稱：一種等比例反射式扁平聚光器的建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及反射式聚光器領(lǐng)域，特別是涉及一種等比例反射式扁平聚光器的建模方法，適用于太陽能聚光發(fā)電、聚光熱利用等非成像光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
太陽能光伏發(fā)電是眾多太陽能應(yīng)用技術(shù)中最直接的利用方式，它具有運(yùn)行可靠、無需燃料、無噪音、無污染、可就地利用、使用維護(hù)簡便、規(guī)?？纱罂尚〉戎T多優(yōu)點(diǎn)，因此太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用前景十分廣闊。但是，在太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展過程中，使用成本過高一直是制約其迅速推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素，為了解決上述問題，人們開始研究聚光和跟蹤技術(shù)，以期在利用更加少的太陽電池發(fā)更多的電，由于所增加的跟蹤聚光裝置的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于所節(jié)約的太陽電池的成本，因此能夠大幅度降低使用成本。用于實(shí)現(xiàn)聚光的聚光器的形式多種多樣，例如透射式聚光器、反射式聚光器等，其中，反射式聚光器是一種非成像聚光器，根據(jù)等比例光線壓縮原理，反射式聚光器可以將一定范圍內(nèi)的太陽直射光線按比例聚集到聚光接收器上，使得聚焦光斑均勻分布，而且，采用反射式聚光器可使聚光模組更薄，另外，反射式聚光器的設(shè)計(jì)靈活性比透射式聚光器高?，F(xiàn)有聚光器一般呈碗形，最常見的兩種設(shè)置太陽電池的方式，一種是將太陽電池設(shè)置在聚光器的底部，入射光線經(jīng)聚光器反射到安置在聚光組件中央的二次反射鏡，光線二次反射后聚集在太陽能電池上，該種方式由于經(jīng)過二次反射，增大了光衰，致使光學(xué)效率不高，且設(shè)計(jì)復(fù)雜；另一種是具有較大平面的聚光器，入射光線經(jīng)過聚光器反射，太陽能電池直接接收經(jīng)聚光器反射的光線，由于該形式聚光器尺寸較大，致使聚光模組的整體尺寸較大，難以做到組件的模塊化與扁平化。而在反射式聚光器的設(shè)計(jì)過程中，由于反射式聚光器的聚光接收面與入射光線垂直，導(dǎo)致聚光器的形式比較單一，聚光器內(nèi)凹較深，使得聚光模塊比較厚，難以實(shí)現(xiàn)聚光器的扁平化與模塊化。因此，如何實(shí)現(xiàn)聚光器的扁平化與模塊化的同時(shí)，滿足聚光器的設(shè)計(jì)要求，簡化聚光結(jié)構(gòu)、減小聚光器尺寸，并確保聚光器的光學(xué)效率是本技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種設(shè)計(jì)周期短、設(shè)計(jì)成本低、簡化設(shè)計(jì)流程、可有效降低聚光發(fā)電模組厚度、能夠提高光學(xué)效率的等比例反射式扁平聚光器的建模方法。本發(fā)明的目的通過如下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):一種等比例反射式扁平聚光器的建模方法，其特征在于包括以下步驟:⑴根據(jù)聚光 器的尺寸及聚光比的設(shè)計(jì)要求，分別確定聚光器在X坐標(biāo)軸(見圖2、
3)上的投影長度a、聚光接收器的口徑b及該口徑的下邊沿的高度c (即口徑的下邊沿到X坐標(biāo)軸的距離)的數(shù)值，其中，聚光比C=a/b ；
⑵滿足在X=Xtl處入射的太陽直射光被反射到
權(quán)利要求
1.一種等比例反射式扁平聚光器的建模方法，其特征在于包括以下步驟: ⑴根據(jù)聚光器的尺寸及聚光比的設(shè)計(jì)要求，分別確定聚光器在X坐標(biāo)軸上的投影長度a、聚光接收器的口徑b及該口徑的下邊沿的高度c的數(shù)值，其中，聚光比C=a/b ； ⑵滿足在X=Xtl處入射的太陽直射光被反射到？
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等比例反射式扁平聚光器的建模方法，其特征在于:在所述步驟(5)中，校驗(yàn)三維曲面模型的y [a]: a)若三維曲面模型的y[a]滿足設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)入步驟(5).1 ； b)若三維曲面模型的y[a]不滿足設(shè)計(jì)要求，調(diào)整c的數(shù)值，轉(zhuǎn)入步驟⑵；重復(fù)此步驟，直至三維曲面模型的y[a]滿足設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)入步驟(5).1 ； 完成步驟(5)后，將三維曲面模型導(dǎo)入光學(xué)模擬分析軟件進(jìn)行光學(xué)仿真以校驗(yàn)三維曲面模型的聚光比和聚光光斑均勻性是否符合設(shè)計(jì)要求: (5).1校驗(yàn)三維曲面模型的聚光比: a)若三維曲面模型的聚光比滿足設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)入步驟(5).2 ； b)若三維曲面模型的聚光比不滿足設(shè)計(jì)要求，在聚光器材料確定的情況下，調(diào)整a的數(shù)值，轉(zhuǎn)入步驟⑵；重復(fù)此步驟，直至三維曲面模型的聚光比滿足設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)入步驟(5).2 ； (5).2校驗(yàn)三維曲面模型的聚光光斑均勻性: a)若三維曲面模型的聚光光斑均勻性滿足設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)入步驟(6)； b)若三維曲面模型的聚光光斑均勻性不滿足設(shè)計(jì)要求，調(diào)整c的數(shù)值，轉(zhuǎn)入步驟⑵；重復(fù)此步驟: ①若三維曲面模型的聚光光斑均勻性滿足設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)入步驟(6); ②若三維曲面模型的聚光光斑均勻性不滿足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行分段聚光比設(shè)計(jì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的等比例反射式扁平聚光器的建模方法，其特征在于:所述分段聚光比設(shè)計(jì)包括以下步驟: 1)根據(jù)計(jì)算模擬得到的聚光光斑均勻性確定聚光器各段的聚光比； 2)由聚光器各段的聚光比分別確定每段的a，b，c的數(shù)值，其中，聚光器每段的聚光比C=a/b ； 3)將聚光器每段的a，b，c的數(shù)值分別代入公式⑴、⑵； 4)分別根據(jù)由步驟3)得到的公式(1)、(2)，獲得聚光器各段的輪廓點(diǎn)計(jì)算公式⑶； 5)將給定的X、y初始值代入聚光器第一段的輪廓點(diǎn)計(jì)算公式(3)，設(shè)定采集數(shù)值計(jì)算密度，計(jì)算得到聚光器第一段的輪廓點(diǎn)數(shù)據(jù)，并得到聚光器第一段的X、y邊界值，即作為聚光器第二段的X、I初始值，將聚光器第二段的X、I初始值代入聚光器第二段的輪廓點(diǎn)計(jì)算公式(3)，設(shè)定采集數(shù)值計(jì)算密度，計(jì)算得到聚光器第二段的輪廓點(diǎn)數(shù)據(jù)，并得到第二段的X、y邊界值，即作為第三段的X、y初始值；依次類推，直至得到聚光器最后一段的輪廓點(diǎn)數(shù)據(jù)； 6)采用由步驟5)得到的聚光器各段的輪廓點(diǎn)數(shù)據(jù)建立聚光器的三維曲面模型，轉(zhuǎn)入步驟(6)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的等比例反射式扁平聚光器的建模方法，其特征在于:在所述步驟6)中轉(zhuǎn)入步驟(6)之前，校驗(yàn)三維曲面模型最后一段的y [a]: ①若三維曲面模型最后一段的y[a]滿足聚光器厚度的設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)入步驟6).1; ②若三維曲面模型最后一段的y[a]不滿足聚光器厚度的設(shè)計(jì)要求，適應(yīng)性調(diào)整各段的c的數(shù)值，轉(zhuǎn)入步驟3);重復(fù)此步驟，直至最后一段的y[a]滿足聚光器厚度的設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)入步驟6).1 ； 將三維曲面模型導(dǎo)入光學(xué)模擬分析軟件進(jìn)行光學(xué)仿真，根據(jù)聚光接收面照度分布圖校驗(yàn)三維曲面模型的聚光比和聚光光斑均勻性: 6).1校驗(yàn)三維曲面模型的聚光比: ①若三維曲面模型的聚光比滿足聚光比的設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)入步驟6).2; ②若三維曲面模型的聚光比不滿足聚光比的設(shè)計(jì)要求，在聚光器的材料確定的情況下，按比例調(diào)整各段的a的數(shù)值，轉(zhuǎn)入步驟3);重復(fù)此步驟，直至三維曲面模型的聚光比滿足聚光比的設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)入步驟6).2; 6).2校驗(yàn)三維曲面模型的聚光光斑均勻性: ①若三維曲面模型的聚光光斑均勻性滿足聚光光斑均勻性的設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)入步驟(6); ②若三維曲面模型的聚光光斑均勻性不滿足聚光光斑均勻性的設(shè)計(jì)要求，調(diào)整相應(yīng)段的聚光比，轉(zhuǎn)入步驟3);重復(fù)此步驟，直至三維曲面模型的聚光光斑均勻性滿足聚光光斑均勻性的設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)入步驟(6)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的等比例反射式扁平聚光器的建模方法，其特征在于:所述光學(xué)模擬分析軟件采用Tracepr0軟件，在定義模型光學(xué)屬性，并設(shè)置光源屬性后進(jìn)行光學(xué)仿真。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的等比例反射式扁平聚光器的建模方法，其特征在于:所述輪廓點(diǎn)數(shù)據(jù)采用數(shù)值計(jì)算軟件計(jì)算獲得。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的等比例反射式扁平聚光器的建模方法，其特征在于:所述的三維曲面模型由所述輪廓點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)成的曲線經(jīng)拉伸和旋轉(zhuǎn)而成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的等比例反射式扁平聚光器的建模方法，其特征在于:所述聚光器的三維曲面模型由輪廓點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD軟件中建立而成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種等比例反射式扁平聚光器的建模方法，包括以下步驟⑴根據(jù)聚光器的尺寸及聚光比的設(shè)計(jì)要求，分別確定聚光器在X坐標(biāo)軸上的投影長度a、聚光接收器的口徑b及該口徑的下邊沿的高度c的數(shù)值；⑵將a，b，c的數(shù)值分別代入公式(1)、(2)中；⑶根據(jù)公式(1)、(2)，得到聚光器輪廓點(diǎn)計(jì)算公式(3)⑷將給定的x、y初始值分別代入公式(3)，計(jì)算得到聚光器的一組輪廓點(diǎn)數(shù)據(jù)；⑸建立聚光器的三維曲面模型；⑹建模完畢，將計(jì)算結(jié)果輸出。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)聚光器的扁平化，減小聚光器尺寸，簡化聚光結(jié)構(gòu)，可有效降低聚光發(fā)電模組厚度，并能提高聚光器光學(xué)效率，本發(fā)明步驟簡單，簡化了設(shè)計(jì)流程，能夠提高設(shè)計(jì)效率和降低設(shè)計(jì)成本。
文檔編號(hào)G02B27/00GK103226242SQ20131015031
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2013年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月26日
發(fā)明者沈輝, 陳鎮(zhèn)光, 邢濤, 王學(xué)孟 申請(qǐng)人:中山大學(xué), 順德中山大學(xué)太陽能研究院