高次柱面反射型太陽能聚光鏡的製作方法

2023-10-10 03:03:04 2

專利名稱：高次柱面反射型太陽能聚光鏡的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種反射並聚焦太陽光束在一窄線段上的高次柱面反射鏡裝置，屬於太陽能利用領域。
背景技術：
收集和匯聚太陽光的聚光鏡是利用太陽能的關鍵部件，在太陽灶以及利用太陽能點火裝置中廣泛應用。太陽能聚光鏡按其聚光的方式可分為透射式聚光鏡和反射式聚光鏡，這兩種聚光鏡在各自領域中有不同的應用。聚光鏡不僅要對鏡面的材料進行選擇，還要對幾何形狀進行設計。 反射式聚光鏡面設計，大都採用旋轉拋物面的聚光原理。旋轉拋物面聚光鏡是按照陽光從主軸線方向入射，光束聚焦在拋物線的焦點處，所以在焦點上的太陽灶或者點火裝置會遮擋部分入射光束，直接影響太陽能利用效率。為了不遮擋入射光路，目前，我國大部分太陽能聚光鏡的設計採用了偏軸聚焦。偏軸聚焦就是使入射光束與旋轉拋物面的主軸成一定的夾角，從而使聚焦點離開主軸。但是離開主軸後形成的不是焦點而是一個散斑，散斑的形狀隨光線與主軸的夾角而變化，因此為了控制焦斑的形狀，又要對旋轉拋物面進行改造，有的將拋物面分割成若干段的反射鏡，光學上稱之為菲涅耳鏡，也有把菲涅耳鏡做成連續的螺旋式反光帶片，俗稱「蚊香式太陽灶」，這又給聚光鏡面的製作帶來一定困難。因此高聚光效率與簡單的加工工藝不能兼顧。影響聚光器性能的因素較多，主要因素如下①聚光器的幾何形狀；②聚光器加工工藝的難易程度；③聚光器材料的選擇聚光器的焦點位置。

發明內容
本發明公開了一種高次柱面反射型太陽能聚光鏡，克服了現有技術存在的聚光鏡面製作困難，焦斑不易控制的問題，用高次柱面匯聚太陽能，太陽能利用率高，加工工藝簡單，形成窄線形光斑，可作為新型強光源。本發明的技術方案為
高次柱面反射型太陽能聚光鏡，它是一個對太陽光束高反的高次柱面。此高次柱面可以由金屬磨製而成，也可以由鋪設在高次柱面上的對太陽光高反的鍍鋁聚酯薄膜構成。高次柱面分為兩上下部分的，其方程都為
x=—j===— + / +%/ +a^ +%>f10+%yu(I) + φ ^yV2(Ua2)
該柱面的母線平行於軸。其中為直角坐標系的三個坐標量^為曲面的彎曲量。Z為高次柱面的高，可以根據需要任意選擇。O—定時，式(I)是高次曲線，
C為高次曲線頂點的曲率為高次曲線方程(I)的係數，％是與二次曲線的離心率有關的常數。當入射太陽光束平行於撕7面以與z軸成β (=25. 5°)的角度照射
至IJ高次柱面內壁上時(沿光線行進方向上的單位向量Jj = 25.5◎,顧25,5e,Oj
X通過適當設置高次柱面方程的參數A2，^為為，與二可以使入射到高次柱面上的太陽光束全部聚焦在一條過產Cr'tan 〃，z)點且與母線平行的寬度很窄的線段上。任一反射光線上一點產'{x' , y' ' , ^)，當^ 一定時，7''與^的關係為
f = J--(I-Kf)
這裡X，,為入射光線在反射鏡面上的投射點.pfxjjj的坐標值，α2,$為反射光線單
位矢量，為Λ)在I軸和7軸上的分量為聚焦點在ζ軸上的目標值，可以根據實際需要設置，在本發明中設置為x! =-50cmo = — ， 4 =為-%βΜ， 其中g = -2eosJ
上面三式中，J為入射角，ai#L為光線入射點處的單位法矢量Nf aMf βΝ> O)在ζ軸和7軸上的分量。當Ql(OiriBifO) 一定時，/，αΜ,βΜ是高次柱面方程參數，~%%%%%%，c的函數，亦即Jff是高次柱面方程參數λ3，《ι·%為為0 %為4>%，(的函數,適當選擇這些參數可以使產'Cr'，y '，W逼近產Cr'，X' tan z)，從而使反射光線都聚焦在一線段附近，形成一很細的線段型光斑。令Δ/ = )··#-Λ3η汐=/-23.843δ,/^/絕對值愈小，反射光線聚焦愈好，
的目標值為O。當所有反射光線的值都等於O時，則入射到高次柱面上的太陽光反射後都過產Cr'tan 〃，z)點，隨著z的變化形成一線形光斑，即所有反射光都聚焦在一條與高次柱面母線平行的線段上。高次柱面在Z—定時關於HCf)的曲線以Z軸為界，分為上下兩部分，上半部分與下半部分高次柱面方程的參數《2，%為為，％，％，％，C各不同，分別進行選擇。叫吟=//為太陽光的入射孔徑，入射孔徑越大，聚光鏡的受光面越大，收集的太陽能越多。本發明的有益效果
(1)由於太陽光在高次柱面反射，所以不產生色差；
(2)高次柱面鍍以高反膜，對太陽光只進行一次反射，所以能量損失小，收集效率高；
(3)//決定了太陽光入射孔徑的大小，可以通過增大或減小/T1和/Z2決定太陽光聚焦點光能量密度的大小；
(4)把柱面上的平行入射光，匯聚在柱面之外，聚光處物體不遮擋入射光線，太陽能利
用率顯著提高；
(5)由於匯聚形成的光源是線形的，可用於類似太陽能熱水器這種需要線形光源的設備當中；
(6)因為結構簡單，可採用機械加工製作出高精確度的模具，批量鑄造，一次成型，價格低廉，然後再組裝外部設施；


圖I:高次柱面反射型太陽能聚光鏡外形示意 圖2 太陽光束照射到高次柱面反射型太陽能聚光鏡上的聚焦效果 圖3 太陽光束照射到高次柱面反射型太陽能聚光鏡上的反射立體效果 圖4:過曲面頂點0處的入射光、反射光示意 圖5 入射太陽光線與高次曲線交點求解過程示意 圖6 入射光矢量、入射點法線矢量及反射光矢量關係示意圖；
圖7:入射太陽光束孔徑示意 圖8 高次柱面反射型太陽能聚光鏡上半部太陽光線反射的計算機模擬；
圖9 高次柱面反射型太陽能聚光鏡下半部太陽光線反射的計算機模擬；
圖10 高次柱面反射型太陽能聚光鏡上下兩半部合成的太陽光線反射的計算機模
擬；
圖中
I.高次柱面反射型太陽能聚光鏡骨架2.高次柱面反射型太陽能聚光鏡反射鏡面3.太陽光束4.光束匯聚線5.入射光線6.頂點0處的曲面法線7.反射光線
具體實施例方式 下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做進一步說明
高次柱面反射型太陽能聚光鏡的加工比較簡單，可以採用數控工具機加工，材料用金屬或者塑料，如果用塑料做材料的話，表面要輔以對太陽光高反的鍍鋁聚酯薄膜，我們採用後一種。高次柱面反射型太陽能聚光鏡的外形結構如圖I所示，由高次柱麵塑料骨架和鍍鋁的金屬薄膜構成。當平行於撕7面的入射光線以與Z軸成β角入射到高次柱面聚光鏡上時，其反射光束的聚光效果如圖2所示，光束在聚光鏡外聚焦成一條寬度很小的線段型光斑。圖3是高次柱面反射型太陽能聚光鏡聚光效果的立體圖。從圖2圖3中可以想到，達到聚光效果的關鍵是聚光鏡的面型設計，即高次方程參數@2，
，(的設計。下面分三部分說明高次方程參數％，C的求解過程及所考慮的因素，首先研究高次柱面的反射規律
一、利用光線追跡方法研究太陽光束入射到高次柱面上的反射規律
I.首先研究過頂點O的一條特殊光線
圖4中的曲線為高次柱面與ζ=0面的一條截線，截線方程就是方程(I)。建立如圖4坐標系，坐標系原點0在截線的頂點，以這個頂點為界，_7>0部分屬於一個高次方程，_7〈0部分屬於另一個高次方程，這兩個高次方程的參數^分別求解。上下兩部分在O點處的法線都沿Z軸的反方向，入射光線在Z=O面內，入射到0點處的一條光線與I軸的夾角是〃。根據反射定律，反射光線與I軸的夾角也是〃，且過產{χ'，tan〃)點，其中^為離開頂點的Z坐標值。因此反射光斑位置並不是任意設置的，其偏離I軸的位置與離開曲面頂點O的^值有關，^越大，偏軸距離^ tan 〃越大。假設0=25. 5°,光斑離開頂點0的^值為50cm，則偏軸距離為50*tan (25. 5°)=23. 8488，當光斑離開頂點0的^值為60cm，則偏軸距離為60*tan(25. 5° )=28. 6185。也就是說，入射光線與Z軸夾角為25. 5°時，這種類型的太陽灶，偏軸距離只能是離開曲面頂點O的f值的一半左右。如果光斑離頂點的距離為30cm，則光斑偏軸距離只能在30*tan(25. 5°) =14. 3093cm。為了不遮擋光路，應該增大光斑偏軸距離，也就應該相應增大光斑離開反射面頂點的距離。2.不過頂點0的一般光線
(O由P0和&求入射光線與高次曲線的交點
如圖5所示，P0(χ0, χ0)為入射光線上一點,β/尾)表示沿光線行進方向上的單位向量，光線與高次曲線的交點可以通過如下方法近似求得；
首先求出光線和7軸的交點P1，並把Λ作為光線與高次曲面的第一次近似解，如圖5所示，然後由Λ Cr1, T1)作X軸的平行線，交曲線與一點產/ Cr/，T1),把光線和過產/點的切線的交點Λ Cr2, Λ)作為新的近似解。然後重複以上步驟直到滿足要求的精度為止;
由圖5可直接得到 f Xj O
m - ,Vo + οβχ
令A = φ-( +α2)€2γ2,由Pi ， )根據方程(I)求得Λ' Cr/，yx)的坐標七'
彳=為 + Qs)\ + Vl' + Vi1 + V, + W + aIkhu + anhU
下面求曲線在ΛZ的切線方程，首先把方程(I)改寫為如下形式
ιτ%Λ—
Ff XJ ,I--+ α./ +Λ,/'+ν1+ ^18Jli + i !,/1 + +%,/11-r = 0
1 +務 fl + e^y
把/7 (.x,y)分別對求偏導得
'aF| __j
LjJ1M
< f - \
=Ji -嚴;========f ++ SalJl* +8% 1 + IOq0^11 + 12%/,1* +14% 13= m
.J
(2)
過Λz點的切線方程為
9F , , t, BF
_i γ mm, γ I X,_/J — I I/ ο \
j Λ Aj / II4/ m/1 / 一 ^(^Oy
&φ··. 』
其中U，_F)為此切線上的任一點。把以上偏導式(2)代入式(3)得
-fx-iJJ+wf J-Jij= O
假定由P1 Cr1, T1)到光線和切線的交點P2 Cr2,乃)之間的距離為7，則P2點的坐標應滿足以下關係P2點的坐標
(X2 = X1+^!⑷
1/2 =Jl+Ai
P2點應在切線上，所以Cr2,_72)滿足切線方程，即 將上面的x2，_f2的表達式(4)代入上式，求解7
-(i'|+0|1 -1|)+m |+為I -}r|) = 0
求得j = 3Zii_ ,代入屍2點得到&點的坐標。把&作為新的近似解，重新計算下
^rAm
去，直到Ijf- Jj小於預定的一個小量為止。 (2)求投射點法線方向的單位向量#
如圖6所示，投射點坐標為曲面Ffxfy) = O上任意一點法線方向上單位向量(外法線方向)的方向餘弦為
-F!-P;
Hm = —F^—' Ar "圖…丨丨丨;...................................................................................................
代入偏導後得
%=六，『=命
(3)求反射光線矢量麼
反射定律向量公式為 4 X # = 4 X #
式中，為光線與高次曲面交點處的單位法向量，反射定律向量公式移項得 4-4>^=ο ,說明然平行，則以下公式必然成立
QrQi = #(5)
公式中g為一係數，將以上公式點積#得
(Qi ~Qi)^ = s
兩個單位向量的點積等於此二向量夾角的餘弦。設/為入射角，/Z為反射角，則
g = COSit - CQSl
反射時cos/ = -COS I，所以
I = -2 COSl(6)
咖 I = Q1 N = 1 % + 肌I，
由式(5)，得
Si =QrgN"⑴
其分量形式從以上推導過程可知，當一定時,反射光線方向的單位向量與g和及有關,而g亦是及的函數，所以是及的函數,而]9*是高次柱面參數c，( , ^ , , , , ^丨I的函數。因此只要合適的選擇這些參數，就能使照射在高次曲面
上任一點處的光線反射後聚焦到一特定點上，達到聚焦目的。二、入射光束的孔徑設置
圖7入射太陽光束孔徑示意圖，圖中叫=ZT1為聚光器下半部的入射光束孔徑，OO2=H2為聚光器上半部的入射光束孔徑，^必="為聚光器總的入射光束孔徑。我們取A=90cm，盡=45cm，則總的入射光束孔徑#=135Cm。入射光束孔徑的大小決定了聚焦點的光能量密度。三、聚焦點位置的設置與高次方程的參數優化
如圖 4所示，取聚焦點產'Cr'，χ' tan ^ ), χ' 二_50，P =25. 5°，則產(-50， 23. 8488)。如果投射點為ifXJ),則反射光線上的一點P' ' (x, ,i' ' )，χ'和y''的關係如下
y9 -y~τ!)~y — χ + 50J(8)
ajj , ￠2
y ' ' 與z ' tan θ =23.8488 的差 Φ·#作為評價量，即Lf = /- Λ #= 23.8488. 的絕對值愈小，反射光線聚焦愈好，的目標值為
O。從以上分析可以看出,#/是參數β2，,,% %!%,%%%，c的函數，可以用粒子群
算法對此進行優化。我們把作為粒子群優化算法中的適應度函數，其中i=l. 0,0. 85、
I
O.70,0. 55,0. 40,0. 25,0. 10,分別為入射光線在-I. 0^,-0. 85"」-。· 70^,-0. 55^,-0.W1^-O. 25^,-0. KW1 入射高或在 I. (W2、0. 85盡、O. 70盡、0· 55盡、O. 40盡、0· 25盡、O. 1(W2入射高的■^^/值；把5|，C作為粒子群中每一個粒子的位置矢量，用粒子群算
法尋找ΣΔ> 的最小值，ΣΔΥ最小值的粒子位置矢量就是使反射光束聚焦在與高次柱面
j
母線平行的寬度很窄的線段上的高次柱面方程的參數。表I和表2分別記錄了聚光鏡上、下半部分高次方程參數的優化結果以及部分 的數值。表中的-I. 00X0、-O. 85Xg等表示入射光線在如i上的入射高，I. OOX盡、
O.85Xiy2等表示入射光線在OO2上的入射高。從表I中看出的最大值和最小值之間相差O. 1809cm,從表2中看出 /的最大值和最小值之間相差O. 8065cm。也就是說，聚焦光束的寬度小於lcm，壓縮比約為135/0. 8605 ^ 157倍。圖8是聚光鏡上半部分對太陽光束聚焦的計算機模擬；圖9是聚光鏡下半部分對太陽光束聚焦的計算機模擬；圖10是整個聚光鏡對太陽光束聚焦的計算機模擬，圖中由於上下兩半部分的模擬都用了 21條光線，而上半部分"2=45cm，下半部分A=90cm，所以上半部分的光線較密
權利要求
1.一種高次柱面反射型太陽能聚光鏡，它是一個高為L側面由下面方程決定的高次柱面的一部分 -=—η—τ---+%y* +%/ +%/+%/+%^2+%/4+Vw 1+4-/σγι+y 這裡，z為柱面的彎曲量，c為高次柱面頂點的曲率半徑,^， 為, , % 是高次柱面方程參數，調節參數％，C和入射光的入射方向是決定高次柱面起何種作用的關鍵，當寬為z高為#的入射太陽光束以單位矢量iJ#os和秘OyK入射光與Z軸成θ角，0=25. 5°)入射到高次柱面內壁上時，只要高次柱面方程的這些參數為某一組特定數值時，則入射光束被反射後都聚焦在一條過P' Cr'tan ^，z)點且與高次柱面母線平行的寬度很窄的線段上，其中O彡z彡Z，X'為離開頂點的沿I軸負方向的距離。
2.根據權利要求I的一種高次柱面反射型太陽能聚光鏡，其特徵在於高次柱面上任一點處的反射光線單位矢量
3.根據權利要求I的一種高次柱面反射型太陽能聚光鏡，其特徵在於任一反射光線上一點產,{x' , y' ' , z),y''與？的關係為
4.根據權利要求I的一種高次柱面反射型太陽能聚光鏡，其特徵在於任一反射光線上一點P ' {x' , y' ' , z)與理想聚焦點
5.根據權利要求I的一種高次柱面反射型太陽能聚光鏡，其特徵在於:把
6.根據權利要求I的一種高次柱面反射型太陽能聚光鏡，其特徵在於把高次柱面以Zfl 面為分界面，_7>0部分稱為上半部分，入射光束孔徑/Z2，屬於一個高次方程，_κο部分稱為下半部分，入射光束孔徑K，屬於另一個高次方程，這兩個高次方程的參數h，運用粒子群算法得到的這些參數數據包含在表I、表2中
全文摘要
本發明涉及一種反射並聚焦太陽能的裝置，特別是把太陽光束聚焦在一條線段上以便使其得以更廣泛應用的反射鏡，屬於太陽能技術及利用領域。它是一個對太陽光高反的高次柱面反射鏡，高次柱面方程為 ,,C是高次柱面的參數，L為入射太陽光束寬度，H為入射太陽光束高度。其特徵在於當平行於XOY面的入射太陽光束以與X軸成θ角入射到高次柱面內壁上時，適當的選擇,,C這9個參數，可以使入射到高次柱面上寬為L高為H的太陽光束全部聚焦在一條與母線平行的寬度很窄的線段上。高次柱面反射鏡具有結構簡單，易於製造，價格便宜，壓縮倍率高等優點，可以被廣泛的應用於太陽能加熱，太陽能幹燥，太陽能發電等相關應用中。
文檔編號G02B5/10GK102866491SQ201210392350
公開日2013年1月9日 申請日期2012年10月17日 優先權日2012年10月17日
發明者秦華, 劉漢法, 類成新, 武繼江, 韓克禎 申請人:山東理工大學