[發(fā)明專利]一種組合非球面反射型太陽能聚光鏡鏡面的設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310406674.7
• 申請日: 2013-09-10
• 公開（公告）號: CN103487925A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 秦華;劉瑞金;葛碩碩;王勇;劉漢法;類成新;袁文峰
• 申請（專利權(quán)）人: 山東理工大學(xué)
• 主分類號: G02B19/00
• 分類號: G02B19/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于太陽能利用領(lǐng)域，特別涉及一種反射型太陽能聚焦鏡中組合非球面聚光鏡的設(shè)計方法。?

背景技術(shù)

收集和匯聚太陽光的聚光鏡是利用太陽能的關(guān)鍵部件，在太陽灶以及利用太陽能點火裝置中廣泛應(yīng)用。顧名思義,?太陽能聚光鏡就是把大面積的太陽輻照光收集或者聚焦到一小的接收器或輸出裝置上的工具?

根據(jù)聚光方式,?聚光鏡大致可以分為四類：反射式聚光、折射式聚光、折反混合式聚光和場致發(fā)光式聚光.?根據(jù)聚光鏡的形狀有拋物面聚光鏡、雙曲面聚光鏡、菲涅爾聚光鏡、復(fù)合拋物面聚光鏡、撓曲柱面聚光鏡、量子點太陽能聚光器等。在一些大型太陽能利用裝置中,?多采用反射式聚光。在反射式拋物面聚光集熱裝置中,?光能接收器要在反射鏡的上方,?擋住了部分入射光束,?減少了陽光的反射,?直接影響太陽能利用效率。因此,?為了不遮擋光路,?大部分聚光裝置的設(shè)計均采用了偏軸聚焦。偏軸聚焦就是使入射光束與聚光鏡的主軸成一定的夾角,?從而使聚焦點離開主軸。但是離開主軸后形成后的是焦斑而不是焦點,?且焦斑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,?科學(xué)家們對旋轉(zhuǎn)拋物面進行了改造,?將拋物面分割成若干段的反射鏡,?光學(xué)上稱之為菲涅耳鏡，也有把菲涅耳鏡做成連續(xù)的螺旋式反光帶片，俗稱“蚊香式太陽灶”，這又給聚光鏡面的制作帶來一定困難。因此高聚光效率與簡單的加工工藝不能兼顧。?不論旋轉(zhuǎn)拋物面還是旋轉(zhuǎn)的雙曲面都是由二次函數(shù)決定的，都只有一個設(shè)計自由度，但是非球面是由高次多項式?jīng)Q定的，由多個參數(shù)決定其面型，并能從中心到邊緣連續(xù)變化，設(shè)計自由度增多。但是隨著設(shè)計自由度的增多，設(shè)計難度增大，且加工和測量難度也增大很多。

到目前為止還沒有一種完整有效的方法用來設(shè)計反射型非球面太陽能聚光鏡的鏡面面型，從而通過非球面來實現(xiàn)太陽光束的偏軸聚焦。?

發(fā)明內(nèi)容

為了克服旋轉(zhuǎn)拋物面反射型太陽能聚光鏡偏軸聚焦時存在的對旋轉(zhuǎn)拋物面的改造麻煩，聚焦光斑難于控制的現(xiàn)象，本發(fā)明提出了一種組合非球面反射型太陽能聚光鏡鏡面的設(shè)計方法，使得偏軸聚焦設(shè)計簡單，聚光面積增大，通過后續(xù)的數(shù)控機床加工成模具，可以實現(xiàn)流水線生產(chǎn)，加工工藝簡單。?

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是采用如下方法步驟：?

1.??????對于偶次非球面方程

上式中，，x，y，z為直角坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)量，中心旋轉(zhuǎn)軸為y軸，y為曲面的彎曲量，C為二次曲面的頂點曲率,?1+a₂為二次曲面系數(shù),??a₂與二次曲面的離心率有關(guān)，?a₄,?a₆,?a₈,?a₁₀,?a₁₂,?a₁₄,?a₁₆為非球面方程中多項式各高次項的系數(shù)；

取入射太陽光束平行于XOY面并與y軸成θ角，則入射光線行進方向上的單位向量為，其中，α₁=-sinθ,?β₁=-cosθ，γ₁=0為在X，Y，Z軸上的分量，由入射光線和非球面方程求出它們的交點P(x,y,z)；

2.?根據(jù)非球面方程求P點處的法矢量；

3.?對入射光線矢量、P點處的法矢量用反射定律的矢量形式進行運算操作，得到該點處反射光線矢量；

4.?確定過坐標(biāo)原點O處的反射光線上任一點P′(x′,?y′,?0)為太陽光束聚焦點，x′?=-y′tanθ；

5.?取不過O點的任一反射光線上的一點P′′(x′,y′′,z′′)

P′′與P′之間的距離，其中△y＇=y〞-?y＇,?△z＇=z〞-0;?