專利名稱：由菲涅耳反射鏡過(guò)渡連接的雙級(jí)復(fù)合拋物鏡聚光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬太陽(yáng)能聚光技術(shù)領(lǐng)域。
太陽(yáng)能技術(shù)的普及將主要取決于它的經(jīng)濟(jì)性，鑒于太陽(yáng)能高品位、低密度的特征，導(dǎo)致影響太陽(yáng)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的主要問(wèn)題是提高聚焦比與高昂跟蹤代價(jià)之間的矛盾。
為了解決提高聚焦比與高昂跟蹤代價(jià)的矛盾，美國(guó)的Hinterberger與Winston(1996)發(fā)明了復(fù)合拋物鏡聚光器(Compound ParabolicConcentratorsCPC)。它由兩塊相對(duì)豎起來(lái)的拋物反射鏡11、12組成，其對(duì)稱截面如附圖1所示，它使開口端(上端口)的射線，匯集至吸收端(下端口)表面，左邊和右邊的鏡子屬于相對(duì)傾斜的拋物線，左、右拋物鏡軸線13、14與聚光器對(duì)稱軸線15構(gòu)成+θa(-θa)接收半角，各自焦點(diǎn)分別為A、B。追蹤幾種射線顯示這套裝置具有下列傾角吸收特性所有入射角|θ|＜θa的進(jìn)入開口端的射線，將經(jīng)一次反射抵達(dá)吸收端，如圖2所示；而所有傾角|θ|＞θa的射線將在兩塊反射鏡之間來(lái)回反射多次并最終逃離開口端，如附圖3所示。
復(fù)合拋物鏡高度H與其開口寬度A之比H/A在不同接收半角θa時(shí)隨聚焦比C的變化如附圖4所示。圖中可見(jiàn)，當(dāng)復(fù)合拋物鏡聚焦比C為14時(shí)，接收半角θa僅為4°，這就需要不斷調(diào)整CPC的傾角，即跟蹤光線傾角的變化；而取36°較大接收半角θa時(shí)，其聚焦比僅為1.5；因此這種復(fù)合拋物鏡技術(shù)無(wú)法根本解決提高聚焦與減免跟蹤的矛盾，性能價(jià)格比低，因此在工業(yè)上難于廣泛使用。
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提供一種由菲涅耳反射鏡過(guò)渡連接的雙級(jí)復(fù)合拋物鏡聚光器(Double stages CPCD-CPC)，解決單級(jí)復(fù)合拋物鏡提高聚焦比和擴(kuò)大接收角范圍這兩個(gè)主要功能相互制約的矛盾，提高效率，降低成本，從而實(shí)現(xiàn)在工業(yè)上的應(yīng)用。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的由菲涅耳反射鏡過(guò)渡連接的雙級(jí)復(fù)合拋物鏡聚光器，包括二組與該聚光器軸對(duì)稱的接收半角為θa的上級(jí)復(fù)合拋物鏡和接收半角為θb的下級(jí)復(fù)合拋物鏡，所說(shuō)的過(guò)渡級(jí)菲涅耳反射鏡由連接所說(shuō)的上、下級(jí)復(fù)合拋物鏡的一組變幻角度的反射面組成，該菲涅耳反射鏡和上級(jí)復(fù)合拋物鏡吸收端連接處有一和聚光器軸成θa/2傾角的轉(zhuǎn)向鏡，所說(shuō)的上級(jí)復(fù)合拋物鏡的吸收端寬度與下級(jí)復(fù)合拋物鏡的開口端寬度及菲涅耳反射鏡上、下端的寬度相等。過(guò)渡級(jí)長(zhǎng)和寬之比為下級(jí)復(fù)合拋物鏡接收半角的余切ctgθb。上級(jí)復(fù)合拋物鏡吸收端端點(diǎn)向下所做任一角度射線和過(guò)渡級(jí)相交，該交點(diǎn)處菲涅耳反射鏡反射面和聚光器軸線的夾角的兩倍與所做射線和該吸收端平面的夾角ω及下級(jí)復(fù)合拋物鏡接收半角θb之和等于90°。所說(shuō)的雙級(jí)復(fù)合拋物鏡由所說(shuō)的拋物線和菲涅耳反射線段構(gòu)成二維聚焦的雙級(jí)槽形復(fù)合拋物鏡太陽(yáng)能聚光器。所說(shuō)的雙級(jí)復(fù)合拋物鏡由所說(shuō)的拋物線和菲涅耳反射線段也構(gòu)成三維聚焦的雙級(jí)旋轉(zhuǎn)體復(fù)合拋物鏡太陽(yáng)能聚光器。
本發(fā)明的原理結(jié)合圖5～7說(shuō)明如下本發(fā)明為菲涅耳反射鏡過(guò)渡連接的雙級(jí)復(fù)合拋物鏡，由上級(jí)復(fù)合拋物鏡51、下級(jí)復(fù)合拋物鏡53和連接兩者的菲涅耳反射鏡過(guò)渡級(jí)52組成，如圖5所示。其中上級(jí)復(fù)合拋物鏡的功能是盡量擴(kuò)大接收角范圍，這樣即可增加對(duì)相當(dāng)部分太陽(yáng)散射光的接收，還可容許直射光的入射角變化，從而減少傾角調(diào)節(jié)次數(shù)；下級(jí)復(fù)合拋物鏡的功能是盡量增加聚焦比，以提高所集能量的品位。兩級(jí)復(fù)合拋物鏡之間的過(guò)渡級(jí)設(shè)置兩塊平行相對(duì)的菲涅耳反射鏡52，把從上級(jí)復(fù)合拋物鏡開口端54入射、經(jīng)上級(jí)復(fù)合拋物鏡51反射匯集和經(jīng)轉(zhuǎn)向鏡58轉(zhuǎn)向發(fā)散開的光線，重新反射成小于下級(jí)復(fù)合拋物鏡接收半角θb的平行光線。本發(fā)明可避免單級(jí)復(fù)合拋物鏡擴(kuò)大接收角和增加聚焦比之間的矛盾。
上級(jí)復(fù)合拋物鏡接收半角θa可取9°至36°，下級(jí)復(fù)合拋物鏡的接收半角θb可取9°至36°，下級(jí)復(fù)合拋物鏡開口端56寬度和上級(jí)復(fù)合拋物鏡吸收端55寬度相等。雙級(jí)復(fù)合拋物鏡的聚焦比為上、下兩級(jí)復(fù)合拋物鏡聚焦比之積。
過(guò)渡級(jí)轉(zhuǎn)向鏡58的設(shè)計(jì)目的是使向右(左)下匯集的光束轉(zhuǎn)為向左(右)下發(fā)散的光束，發(fā)散光束中任一光線和上級(jí)復(fù)合拋物鏡吸收端平面的夾角ω界于θa至90°之間。圖6為太陽(yáng)光投射角等于θa的臨界情況。過(guò)渡級(jí)長(zhǎng)度和寬度之比為下級(jí)復(fù)合拋物鏡接收半角θb的余切ctgθb。上級(jí)復(fù)合拋物鏡吸收端端點(diǎn)向左(右)下發(fā)散的光束中，每間隔一個(gè)角度(例如10°)作出其相應(yīng)射線并和過(guò)渡級(jí)左(右)邊直線相交，在每一交點(diǎn)處做一塊菲涅耳反射面52，其平面與聚光器軸線的夾角滿足下列關(guān)系2+ω+θb＝90°其中θb為下級(jí)復(fù)合拋物鏡的接收半角。經(jīng)過(guò)這樣設(shè)計(jì)的菲涅耳反射鏡便可把向左(右)下發(fā)散光束轉(zhuǎn)為向右(左)下的平行光束，且投射角恰好等于下級(jí)復(fù)合拋物鏡的接收半角θb。
圖7為投射角為0°，即入射光束和聚光器軸線平行時(shí)的另一臨界情況。上級(jí)復(fù)合拋物鏡的左右兩塊拋物鏡分別將投射其上的平行光束反射成為吸收端各自端點(diǎn)附近的發(fā)散光束，并且該光束上邊線與吸收端平面的夾角恰好也為θa，其余光線的夾角依次增大，正好利用對(duì)稱設(shè)計(jì)的菲涅耳反射鏡可將發(fā)散光束轉(zhuǎn)為投射角等于下級(jí)復(fù)合拋物鏡接收半角θb的平行光束，與上一臨界情況類似，但減少一次轉(zhuǎn)向反射，只需三次反射便可完成兩次聚焦。
由于在上述兩種臨界情況下，上級(jí)復(fù)合拋物鏡(及轉(zhuǎn)向鏡)都可把平行光束轉(zhuǎn)為其吸收端端點(diǎn)的向下發(fā)散光束而其余情況時(shí)，發(fā)散點(diǎn)位于兩端點(diǎn)之間，此時(shí)發(fā)散光束中任一光線對(duì)于菲涅耳反射鏡的投射角比臨界情況下有所減小，因此反射后的光線相對(duì)于下級(jí)復(fù)合拋物鏡的投射角也必然小于臨界時(shí)的θb，即小于其接收半角。這樣就保證雙級(jí)復(fù)合拋物鏡在上級(jí)復(fù)合拋物鏡連續(xù)變化的全部接收角范圍內(nèi)，所接收的平行太陽(yáng)光束，其所有光線都能抵達(dá)下級(jí)復(fù)合拋物鏡的吸收端。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、節(jié)省反射鏡材料和擴(kuò)大接收角范圍。
由附圖4查出并計(jì)算可得，本發(fā)明所述雙級(jí)復(fù)合拋物鏡在實(shí)現(xiàn)10聚焦比和21°接收半角時(shí)，總高度為上級(jí)復(fù)合拋物鏡開口端寬度的4.034倍；而單級(jí)復(fù)合拋物鏡要想實(shí)現(xiàn)10的聚焦比，高寬比則為5.60，而其接收半角卻只有5.7°，即所用材料增加近三分之一，接收角范圍卻縮小3.68倍。因此說(shuō)雙級(jí)復(fù)合拋物鏡由于充分綜合了聚焦型復(fù)合拋物鏡和接收型復(fù)合拋物鏡各自的優(yōu)勢(shì)，從而完滿地實(shí)現(xiàn)其功能組合。
2、解決聚焦比提高和高昂跟蹤代價(jià)的矛盾本發(fā)明是以免跟蹤的代價(jià)實(shí)現(xiàn)高聚焦比的技術(shù)，這就使得利用低密度太陽(yáng)能去提供市場(chǎng)廣闊的工業(yè)用熱，在經(jīng)濟(jì)上最終成為可能，從而使得太陽(yáng)能熱利用不單單是一種針對(duì)未來(lái)的能源技術(shù)儲(chǔ)備，也為其加入與傳統(tǒng)能源技術(shù)的竟?fàn)?，注入了新的活力。而所有這一切的實(shí)現(xiàn)，正是基于高聚焦比與跟蹤代價(jià)這一個(gè)深刻技術(shù)性矛盾的最終解決。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)復(fù)合拋物鏡原理示意圖。
圖2為入射角小于復(fù)合拋物鏡接收半角θa時(shí)反射特性示意圖。
圖3為入射角大于其接收半角θa時(shí)反射特性示意圖。
圖4為復(fù)合拋物鏡高寬比H/A作為聚焦比C和接收半角θa的函數(shù)關(guān)系示意圖。
圖5為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為投射角等于接收半角θa時(shí)，雙級(jí)復(fù)合拋物鏡的光路圖。
圖7為入射光和聚光器軸平行時(shí)，上級(jí)復(fù)合拋物鏡的光路圖。
圖8為本發(fā)明實(shí)施例一雙級(jí)旋轉(zhuǎn)體復(fù)合拋物鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9為本發(fā)明實(shí)施例二雙級(jí)槽形復(fù)合拋物鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
本發(fā)明設(shè)計(jì)出二種結(jié)構(gòu)的實(shí)施例，結(jié)合

如下實(shí)施例一本發(fā)明的實(shí)施例一是一雙級(jí)旋轉(zhuǎn)體復(fù)合拋物鏡，其結(jié)構(gòu)如圖8所示，其中上級(jí)復(fù)合拋物鏡81的接收半角為21°，吸收端85直徑為400mm，將開口端截去一段使其高寬比為1，實(shí)際聚焦比為2.4，開口端84寬度為960mm，高度為960mm，過(guò)渡級(jí)82長(zhǎng)度為400/tg15°＝1493mm；其中下級(jí)復(fù)合拋物鏡83接收半角為15°，將其開口端86截去一段，使其高寬比為1.5，實(shí)際聚焦比為3.5，吸收端87直徑為114mm，高度為600mm；雙級(jí)復(fù)合拋物鏡的聚焦比為(960/114)2＝71，高度為3053mm，高寬比為3.18。當(dāng)雙級(jí)復(fù)合拋物鏡吸收端安置光電池板并構(gòu)成光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，在免跟蹤前提下，可節(jié)省71倍的光電池板，從而降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的造價(jià)。
本發(fā)明的實(shí)施例二是一雙級(jí)槽形復(fù)合拋物鏡，其結(jié)構(gòu)如圖9所示，其上、下級(jí)復(fù)合拋物鏡91、93為對(duì)稱的兩塊柱狀拋物形板，過(guò)渡級(jí)92為對(duì)稱的兩塊平行菲涅耳反射鏡，其它尺寸參數(shù)與實(shí)施例一類同。
權(quán)利要求
1.一種由菲涅耳反射鏡過(guò)渡連接的雙級(jí)復(fù)合拋物鏡聚光器，其特征在于，該雙級(jí)復(fù)合拋物鏡包括二組與該聚光器軸對(duì)稱的復(fù)合拋物線組成的接收半角為θa的上級(jí)復(fù)合物鏡和接收半角為θb的下級(jí)復(fù)合拋物鏡，所說(shuō)的過(guò)渡級(jí)菲涅耳反射鏡基于連接所說(shuō)上級(jí)復(fù)合拋物鏡吸收端和下級(jí)復(fù)合拋物鏡開口端的一對(duì)平行線之上，所說(shuō)上級(jí)復(fù)合拋物鏡的吸收端寬度與下級(jí)復(fù)合拋物鏡的開口端寬度及菲涅耳反射鏡上、下端開口寬度相等，菲涅耳反射鏡和上級(jí)復(fù)合拋物鏡吸收端的連接處有一轉(zhuǎn)向反射鏡。
2.如權(quán)利要求1所述的聚光器，其特征在于過(guò)渡級(jí)長(zhǎng)和寬之比為下級(jí)復(fù)合拋物鏡接收半角的余切ctgθb。
3.如權(quán)利要求1所述的聚光器，其特征在于從上級(jí)復(fù)合拋物鏡吸收端端點(diǎn)向下所做任一射線和過(guò)渡級(jí)平行線存在一交點(diǎn)，該交點(diǎn)處菲涅耳反射面和聚光器軸線夾角的兩倍與所做射線和上級(jí)復(fù)合拋物鏡吸收端平面的夾角ω及下級(jí)復(fù)合拋物鏡接收半角θb之和等于90°。
4.如權(quán)利要求1所述的聚光器，其特征在于轉(zhuǎn)向反射鏡和聚光器軸線的夾角為上級(jí)復(fù)合拋物鏡接收半角的一半，即θa/2。
5.如權(quán)利要求1所述的聚光器，其特征在于所說(shuō)的雙級(jí)復(fù)合拋物鏡由所說(shuō)的復(fù)合拋物線和菲涅耳反射線段構(gòu)成二維聚焦的雙級(jí)槽形復(fù)合拋物鏡太陽(yáng)能聚光器。
6.如權(quán)利要求1所述的聚光器，其特征在于所說(shuō)的雙級(jí)復(fù)合拋物鏡由所說(shuō)的復(fù)合拋物線和菲涅耳反射線段也構(gòu)成三維聚焦的雙級(jí)旋轉(zhuǎn)體復(fù)合拋物鏡太陽(yáng)能聚光器。
全文摘要
本發(fā)明屬太陽(yáng)能聚光技術(shù)領(lǐng)域。該雙級(jí)復(fù)合拋物鏡包括二組與該聚光器軸對(duì)稱的復(fù)合拋物線組成的接收半角為θa的上級(jí)復(fù)合物鏡和接收半角為θb的下級(jí)復(fù)合拋物鏡,過(guò)渡級(jí)菲涅耳反射鏡基于連接所說(shuō)上級(jí)復(fù)合拋物鏡吸收端和下級(jí)復(fù)合拋物鏡開口端的一對(duì)平行線之上,菲涅耳反射鏡和上級(jí)復(fù)合拋物鏡吸收端的連接處有一轉(zhuǎn)向反射鏡。本發(fā)明解決單級(jí)復(fù)合拋物鏡提高聚焦比和擴(kuò)大接收角范圍這兩個(gè)主要功能相互制約的矛盾,提高效率,降低成本。
文檔編號(hào)G02B19/00GK1193747SQ9810163
公開日1998年9月23日 申請(qǐng)日期1998年4月24日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月24日
發(fā)明者丑喬力, 徐光 , 李新秋 申請(qǐng)人:清華大學(xué)