本發(fā)明涉及太陽能利用技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種確定菲涅耳定日鏡各圈子鏡傾角的方法。

背景技術(shù)：

近年來，太陽能相關(guān)的利用技術(shù)正處于快速發(fā)展期。定日鏡是將太陽或者其他天體的光線反射到固定方向的光學(xué)裝置，其中菲涅耳定日鏡更是得到了廣泛的應(yīng)用。定日鏡由多面子鏡組成，若每面子鏡都選用球面鏡，單臺球面定日鏡能形成多倍聚光比，可以用較少的臺數(shù)達(dá)到較高的總聚光比，但球面鏡的曲率半徑和定日鏡中心到吸熱面中心距離具有確定的關(guān)系，因此只要距離不同，定日鏡的面型就不同，相應(yīng)地，一個鏡場中就會出現(xiàn)多種定日鏡及子鏡的規(guī)格，成本高昂，調(diào)整子鏡較為困難；若每面子鏡都選用平面鏡，雖規(guī)格統(tǒng)一，在制造和調(diào)試方面的成本較低，但平面鏡的聚光效果較差，達(dá)到同樣的總聚光比，需要數(shù)倍于球面定日鏡的臺數(shù)，不能很好的實(shí)現(xiàn)聚光的功能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種確定菲涅耳定日鏡各圈子鏡傾角的方法，能夠很好的實(shí)現(xiàn)聚光的功能，且能降低定日鏡的制造成本。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種確定菲涅耳定日鏡各圈子鏡傾角的方法，包括如下步驟：

(1)設(shè)置菲涅耳定日鏡所有子鏡共面，給定一個不為零的太陽光入射角，選擇菲涅耳定日鏡的某一圈子鏡，該圈子鏡在吸熱塔的吸熱面上的光斑是一個較大的空心橢圓；

(2)通過同步傾角調(diào)整機(jī)構(gòu)使該圈子鏡逐漸內(nèi)傾，使光斑逐漸縮小，直至光斑匯聚成一個具有最小短軸的狹長橢圓，短軸方向上的反射光匯聚到極致；

(3)繼續(xù)使子鏡向內(nèi)傾斜，長軸方向上的反射光繼續(xù)匯聚，短軸方向上的光開始發(fā)散，橢圓開始向圓轉(zhuǎn)變，直至最后長短軸尺寸相同，該圈子鏡的傾角設(shè)定完成；

(4)依次設(shè)定各圈子鏡傾角，形成定日鏡、太陽和吸熱塔在該相對位置條件下的最小聚光光斑。

優(yōu)選的，步驟(3)中，取同圈多面子鏡分別求出其轉(zhuǎn)動中心反射光與吸熱面的交點(diǎn)，當(dāng)所有交點(diǎn)距離圓心的距離相等時，則該圈子鏡的反射光斑是圓形，光斑達(dá)到最小。

優(yōu)選的，取同圈多面子鏡，子鏡的個數(shù)至少為5個。

優(yōu)選的，將該圈子鏡無窮細(xì)分，使之沿定日鏡半徑方向上的尺寸不變，但周長方向上無線窄，該圈子鏡被分割成無窮多個扇形微元；在該圈微元組成的鏡組中取5面子鏡，此5面子鏡中心點(diǎn)連線為正五邊形，若5面子鏡中心點(diǎn)對應(yīng)的吸熱面上的反射點(diǎn)距離吸熱面中心點(diǎn)距離相等，則該圈子鏡的最優(yōu)聚光傾角設(shè)置完成。

優(yōu)選的，設(shè)置一圈子鏡傾角的具體步驟為：入射光線方向單位向量為某臺菲涅耳定日鏡中心為o2(x2,y2,z2)，其法線方向向量為反射光線方向單位向量為與塔上吸熱面的交點(diǎn)為o1(x1,y1,z1)，吸熱面向y軸傾斜，與z軸正方向夾角φ，該定日鏡某圈子鏡，某一面的轉(zhuǎn)動中心為aw，向內(nèi)轉(zhuǎn)動了角度β，子鏡中心的反射光與吸熱面交于a′w(mw,pw,qw)；

設(shè)awo2＝r，可先在圓心為o2、半徑為r的圓上任取一個子鏡微元的中心點(diǎn)為a1，其他幾面子鏡中心點(diǎn)可根據(jù)與o2a1的角度關(guān)系來確定；

可由方程組(1)解得

然后由方程組(2)解得w＝2,3,4,5：

設(shè)變角度后，子鏡法線方向單位向量此法線與初始狀態(tài)法線夾角為β，并與夾角為其中

于是可由方程組(3)解得

5面子鏡的反射光線單位方向向量根據(jù)入射角等于反射角，和可得方程組(4)并解得a′w(mw,pw,qw)：

從β＝0開始，選擇合適的步長δβ，分別對w＝1,2,3,4,5時進(jìn)行計(jì)算，比較max(o1a′w)和min(o1a′w)的差值是否在設(shè)定精度范圍內(nèi)，即可確定該圈子鏡聚光光斑達(dá)到最小的β值。

本發(fā)明的有益效果為：(1)采用低成本的小平面鏡組合而成，無需使用球面鏡，極大降低了定日鏡的制造成本；(2)可對同一圈子鏡進(jìn)行批量的設(shè)置，降低了安裝調(diào)試難度，節(jié)約了安裝調(diào)試時間，降低了安裝調(diào)試的成本；(3)可以很好的實(shí)現(xiàn)聚光的功能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的方法流程示意圖。

圖2為本發(fā)明的菲涅耳定日鏡的子鏡排列方式示意圖。

圖3為本發(fā)明的單圈子鏡焦斑隨傾角的變化示意圖。

圖4為本發(fā)明的定日鏡、太陽和塔上吸熱面的相對關(guān)系示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1和3所示，一種確定菲涅耳定日鏡各圈子鏡傾角的方法，包括如下步驟：

(1)設(shè)置菲涅耳定日鏡所有子鏡共面，給定一個不為零的太陽光入射角，選擇菲涅耳定日鏡的某一圈子鏡，該圈子鏡在吸熱塔的吸熱面上的光斑是一個較大的空心橢圓；

(2)通過同步傾角調(diào)整機(jī)構(gòu)使該圈子鏡逐漸內(nèi)傾，使光斑逐漸縮小，直至光斑匯聚成一個具有最小短軸的狹長橢圓，短軸方向上的反射光匯聚到極致；

(3)繼續(xù)使子鏡向內(nèi)傾斜，長軸方向上的反射光繼續(xù)匯聚，短軸方向上的光開始發(fā)散，橢圓開始向圓轉(zhuǎn)變，直至最后長短軸尺寸相同，該圈子鏡的傾角設(shè)定完成；

(4)依次設(shè)定各圈子鏡傾角，形成定日鏡、太陽和吸熱塔在該相對位置條件下的最小聚光光斑。

如圖2所示，本發(fā)明的菲涅耳定日鏡采用平面扇形子鏡，各子鏡分多圈呈環(huán)形陣列，因此是一種圓形定日鏡。所有子鏡的外接圓半徑基本相等，外接圓圓心為各子鏡的轉(zhuǎn)動中心以及與定日鏡支撐結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)，這些連接點(diǎn)均在同一個平面內(nèi)。在各圈子鏡姿態(tài)未設(shè)置好之前，所有子鏡均只有一個自由度，即只能在定日鏡中心和子鏡中心的連線方向轉(zhuǎn)動。

所有子鏡在初始狀態(tài)下均處于同一平面，共同垂直于整個定日鏡采光口平面的法線。每一圈子鏡都可以通過傘狀傾角調(diào)整機(jī)構(gòu)同時以相同的傾角向定日鏡中心旋轉(zhuǎn)至設(shè)計(jì)值之后鎖死，使其失去最后一個自由度。各圈子鏡設(shè)定好自己的傾角后，通過定日鏡追日機(jī)構(gòu)可在塔式吸熱器上疊加出一個小于定日鏡采光口的光斑，實(shí)現(xiàn)聚光的目的。

如圖4所示，設(shè)置一圈子鏡傾角的具體步驟為：入射光線方向單位向量為某臺菲涅耳定日鏡中心為o2(x2,y2,z2)，其法線方向向量為反射光線方向單位向量為與塔上吸熱面的交點(diǎn)為o1(x1,y1,z1)，吸熱面向y軸傾斜，與z軸正方向夾角φ，該定日鏡某圈子鏡，某一面的轉(zhuǎn)動中心為aw，向內(nèi)轉(zhuǎn)動了角度β，子鏡中心的反射光與吸熱面交于a′w(mw,pw,qw)；

設(shè)awo2＝r，可先在圓心為o2、半徑為r的圓上任取一個子鏡微元的中心點(diǎn)為a1，其他幾面子鏡中心點(diǎn)可根據(jù)與o2a1的角度關(guān)系來確定；

可由方程組(1)解得

然后由方程組(2)解得w＝2,3,4,5：

設(shè)變角度后，子鏡法線方向單位向量此法線與初始狀態(tài)法線夾角為β，并與夾角為其中

于是可由方程組(3)解得

5面子鏡的反射光線單位方向向量根據(jù)入射角等于反射角，和可得方程組(4)并解得a′w(mw,pw,qw)：

從β＝0開始，選擇合適的步長δβ，分別對w＝1,2,3,4,5時進(jìn)行計(jì)算，比較max(o1a′w)和min(o1a′w)的差值是否在設(shè)定精度范圍內(nèi)，即可確定該圈子鏡聚光光斑達(dá)到最小的β值。

具體采用的定日鏡的布置方案如表1所示。其中，ri為各圈子鏡中心到定日鏡中心的距離；r1為各圈子鏡外緣到定日鏡中心距離；r2為各圈單面子鏡的外接圓半徑；一臺定日鏡有5圈共95面子鏡，輪廓半徑1.83m。相鄰子鏡的間距為0.01m，包含中間的圓形孔洞在內(nèi)，縫隙率為6.9％。

表1一種菲涅耳定日鏡的鏡面相關(guān)參數(shù)

假設(shè)該定日鏡在吸熱塔的正北方向，定日鏡中心到吸熱面中心的水平距離為100m，定日鏡中心高2m，吸熱面中心高32m，吸熱面向下傾斜36.5°，即吸熱面法線和水平面夾角為36.5°，太陽光入射角為30°。在上述條件下該定日鏡具有最小焦斑尺寸的各圈子鏡的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2各圈子鏡的計(jì)算結(jié)果

按照表2的計(jì)算結(jié)果在tracepro中建立聚光器模型然后進(jìn)行模擬，可以驗(yàn)證各圈子鏡是否在表2所示的計(jì)算姿態(tài)下整臺定日鏡具有最小焦斑，并且得到最小焦斑的具體值。如果焦斑是橢圓，則橢圓長軸半徑為焦斑半徑。模擬結(jié)果表明各圈子鏡實(shí)現(xiàn)最小焦斑時的傾角和計(jì)算結(jié)果相符。

此外，從模擬過程中還可以發(fā)現(xiàn)，在同一時刻外圈最小焦斑半徑總是大于內(nèi)圈的最小焦斑。因此可將最外圈子鏡的最小焦斑作為整臺定日鏡的最小焦斑。于是，內(nèi)部各圈子鏡傾角都存在一個解域而不是單值，使得在同樣的太陽位置條件下，這臺定日鏡內(nèi)圈的焦斑不大于外圈焦斑。這說明內(nèi)部各圈的傾角設(shè)置有一個容忍誤差范圍，從而降低了安裝調(diào)試的精度和難度。定日鏡最小焦斑尺寸及對應(yīng)的各圈子鏡傾角取值范圍見表3。

表3定日鏡最小焦斑及各圈子鏡傾角取值范圍

盡管本發(fā)明就優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了示意和描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，只要不超出本發(fā)明的權(quán)利要求所限定的范圍，可以對本發(fā)明進(jìn)行各種變化和修改。