CN101840067B - 一种基于tracepro软件的非规范复合抛物面聚光器的建模方法 - Google Patents

Abstract

一种基于tracepro软件的非规范复合抛物面聚光器的建模方法，包括如下步骤：1)首先确定复合抛物面聚光器的最大聚光角θ_max；2)确定复合抛物面聚光器的出射口半径a，CPC的长度l和焦距f；3)由软件求出入射口半径，4)在tracepro软件中建立CPC模型，进行光学仿真，通过优化函数控制改变最大聚光角θ_max和CPC入射口半径r，直到光斑照度、光斑均匀性η或聚光比C达到优化目标值。本发明提供了一种通过光学仿真优化设计、周期短、节约设计成本的基于tracepro软件的非规范复合抛物面聚光器的建模方法。

Description

一种基于tracepro软件的非规范复合抛物面聚光器的建模方法

技术领域

本发明涉及为复合抛物面聚光器领域，尤其是一种基于tracepro软件的非规范复合抛物面聚光器(Compound Parabolic Concentrator：CPC)的建模方法，适用于太阳能聚光器设计，灯具反光杯设计等非成像光学设计领域。

背景技术

复合抛物面聚光器(Compound Parabolic Concentrator：CPC)是一种非成像聚光器，根据边缘光线原理设计，可以把给定接受角范围内的光线按接近理想聚光比收集到接收器上。反之，亦可把光源置于其出射口，这样光源发出的光线则从入射口出射，可以很好的控制光线的出射角度。因此CPC广泛应用于太阳能及照明等非成像领域。现有的复合抛物面聚光器设计过程中，无法进行光学仿真，进而无法实现优化设计，设计周期较长，且设计成本较高。

发明内容

为了克服现有的复合抛物面聚光器设计过程中的无法实现光学仿真、周期较长、设计成本较高的不足，本发明提供了一种通过光学仿真优化设计、周期短、节约设计成本的基于tracepro软件的非规范复合抛物面聚光器的建模方法。

本发明的技术方案：

一种基于tracepro软件的非规范复合抛物面聚光器的建模方法，包括如下内容：

1)首先确定了聚光角θ_max的最大聚光角θ_max。

2)确定复合抛物面聚光器的出射口半径a，CPC的长度l和焦距f，CPC焦距满足方程(1)：

f＝a(1+sinθ_max)     (1)；

3)由tracepro软件求出入射口半径r，最大聚光角θ_max和入射口半径r满足方程组(2)：

$r=\frac{l(a-f)\sqrt{2\mathrm{fa}-f^2}-{\mathrm{af}}^2+\sqrt{{\mathrm{fa}}^3(4l\sqrt{2\mathrm{af}-f^2}+4\mathrm{af})}}{f(2a-f)}---\left(2\right);$

4)在tracepro软件中建立CPC模型，所述CPC模型的表达式为(3)：

$x=\frac{y(a-f)\sqrt{2\mathrm{fa}-f^2}-{\mathrm{af}}^2+\sqrt{{\mathrm{fa}}^3(4y\sqrt{2\mathrm{af}-f^2}+4\mathrm{af})}}{f(2a-f)}---\left(3\right)$

其中，x，y分别为直角坐标系中的横坐标和纵坐标，并进行光学仿真，优化函数为如下三个方程：

光斑照度和最大聚光角满足显性方程(4)：

${\mathrm{\θ}}_{\max }=a\tan (\sqrt{{\mathrm{\φ}}_v/\mathrm{\π}{L}_v}/H)---\left(4\right);$

其中，φ_v为光源光通量，L_v为接收面光斑照度，H为CPC与接收面的距离，光斑照度随着最大聚光角的增大而减小；

光斑均匀性η和CPC入射口半径r为隐性函数，满足方程(5)：

η＝f(r)       (5)；

光斑均匀性η随着CPC入射口半径r的增大而增大；

聚光比C与最大聚光角θ_max满足方程(6)：

C＝1/sinθ_max      (6)，

聚光比C随着最大聚光角θ_max的增大而减小；

通过优化函数控制改变最大聚光角θ_max和CPC入射口半径r，直到光斑照度、光斑均匀性η或聚光比C达到优化目标值。

进一步，所述复合抛物面聚光器应用于太阳能聚光器，优化目标值为光斑均匀性η或聚光比C。

或者是，所述复合抛物面聚光器应用于灯具反光杯，优化目标值为光斑照度、光斑均匀性η。

本发明的技术构思为：Tracepro是一套能进行常规光学分析、照明系统设计等功能的光学模拟分析软件，已经广泛被用于光学设计中。通过在tracepro软件中建立CPC模型进行光学仿真，实现对CPC的优化设计，从而快捷高效的达到设计目的，节约设计成本。

在照明领域应用本实用新型设计灯具反光杯，可以将光源置于CPC的出射口，光线从CPC出口射出到达地面等光能量接受面，从而实现接受面光斑强度和均匀性的目的；同样在太阳能利用方面，应用本实用新型设计太阳能电池聚光系统，将太阳能电池置于CPC出射口，光线从CPC入射口进入，实现控制聚光比和光斑均匀性的目的。

本发明的有益效果主要表现在：(1)、给出了非规范CPC的一种建模方法，从而实现在光学设计软件tracepro中建立CPC模型，进行光学仿真，实现CPC的优化设计，提高了设计效率和降低了设计成本；(2)、可以广泛应用于太阳能聚光系统的设计，灯具的反光杯设计等非成像光学设计领域。

附图说明

图1是CPC原理图。

图2是本发明新型框图。

图3是CPC在tracepro软件建模的三围框图。

图4是在tracepro软件中仿真示意图。

图5是一次优化的照度分析图。

图6是一次优化的照度曲线图。

图7是二次优化的照度分析图。

图8是二次优化的照度曲线图。

图9是三次优化的照度分析图。

图10是三次优化的照度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

参照图1～图7，一种基于tracepro软件的非规范复合抛物面聚光器的建模方法，包括如下内容：

1)首先确定了聚光角θ_max的最大聚光角θ_max。

2)确定复合抛物面聚光器的出射口半径a，CPC的长度l和焦距f，CPC焦距满足方程(1)：

f＝a(1+sinθ_max)    (1)；

3)由tracepro软件求出入射口半径r，最大聚光角θ_max和入射口半径r满足方程组(2)：

$r=\frac{l(a-f)\sqrt{2\mathrm{fa}-f^2}-{\mathrm{af}}^2+\sqrt{{\mathrm{fa}}^3(4l\sqrt{2\mathrm{af}-f^2}+4\mathrm{af})}}{f(2a-f)}---\left(2\right);$

4)在tracepro软件中建立CPC模型，所述CPC模型的表达式为(3)：

$x=\frac{y(a-f)\sqrt{2\mathrm{fa}-f^2}-{\mathrm{af}}^2+\sqrt{{\mathrm{fa}}^3(4y\sqrt{2\mathrm{af}-f^2}+4\mathrm{af})}}{f(2a-f)}---\left(3\right)$

其中，x，y分别为直角坐标系中的横坐标和纵坐标，并进行光学仿真，优化函数为如下三个方程：

光斑照度和最大聚光角满足显性方程(4)：

${\mathrm{\θ}}_{\max }=a\tan (\sqrt{{\mathrm{\φ}}_v/\mathrm{\π}{L}_v}/H)---\left(4\right);$

其中，φ_v为光源光通量，L_v为接收面光斑照度，H为CPC与接收面的距离，光斑照度随着最大聚光角的增大而减小；

光斑均匀性η和CPC入射口半径r为隐性函数，满足方程(5)：

η＝f(r)       (5)；

光斑均匀性η随着CPC入射口半径r的增大而增大；

聚光比C与最大聚光角θ_max满足方程(6)：

C＝1/sinθ_max    (6)，

聚光比C随着最大聚光角θ_max的增大而减小；

通过优化函数控制改变最大聚光角θ_max和CPC入射口半径r，直到光斑照度、光斑均匀性η或聚光比C达到优化目标值。

所述复合抛物面聚光器应用于太阳能聚光器，优化目标值为光斑均匀性η或聚光比C。或者是，所述复合抛物面聚光器应用于灯具反光杯，优化目标值为光斑照度、光斑均匀性η。

参照图1，抛物线A绕其焦点F₁沿逆时针方向旋转了θ_max，同理抛物线B绕其焦点F₂沿顺时针方向也旋转了θ_max，从而使得抛物线A的焦点F₁落在抛物线B的下端点，抛物线B的焦点F₂落在抛物线A的下端点。轴1’和1分别是抛物线A旋转前后的对称轴，轴2’和2分别是抛物线B旋转前后的对称轴，F₂C和F₁D分别平行轴1和轴2，抛物线段F₁C和F₂D关于Y轴对称并绕Y轴旋转一周，形成三维的复合抛物面聚光器(CPC)。其中l₀＝a(1+sinθ_max)cosθ_max/sin²θ_max，若CPC的长度l＝l₀，则此CPC为规范CPC，否则为非规范CPC。

参照图2，基于tracepro软件的非规范CPC的建模方法包括如下步骤：

1)首先确定了CPC的最大聚光角θ_max。

2)根据实际需要确定CPC的出射口半径a，CPC的长度l和焦距f。

3)由软件求出入射口半径r并判断是否满足实际要求。

4)在tracepro中建立CPC模型，进行光学仿真，通过优化函数控制改变最大聚光角θ_max和CPC入射口半径r优化CPC模型直至达到优化目标。

具体实施方式阐述具体包括1个LED手电筒反光杯设计实施例子，实施效果通过软件模拟分析获得。

设计要求：

LED：功率1w，光效80lm/w，数量为1颗，配光曲线分布为朗伯分布型。

反光杯尺寸：深度≤60mm，口径≤50mm

接受面光斑：1m远处形成半径0.1～0.2m光斑，均匀性＞85％，光照度＞650lux。

参照图5-图10是优化过程中照度分析图和照度曲线图，分别是优化起始，优化中期和最终优化，对应的CPC结构参数如下表：

相应的性能评价如下表：

从上表可以发现最终结构的光斑性能最符合设计要求。整个过程则由优化函数控制，通过不断减小最大聚光角度和增大入射口半径，以获得最佳优化目标值，即光斑的均匀性和照度值，最终得到了最优化的CPC结构参数。

本发明实施例子不限于灯具反光杯设计，同样适用于太阳能电池聚光系统的设计。

Claims (3)

1.一种基于tracepro软件的非规范复合抛物面聚光器的建模方法，其特征在于：所述建模方法包括如下步骤：

1)首先确定了聚光角θ的最大聚光角θ_max。

2)确定复合抛物面聚光器的出射口半径a，CPC的长度l和焦距f，CPC焦距满足方程(1)：

f＝a(1+sinθ_max)       (1)；

3)由tracepro软件求出入射口半径r，最大聚光角θ_max和入射口半径r满足方程组(2)：

$r=\frac{l(a-f)\sqrt{2\mathrm{fa}-f^2}-{\mathrm{af}}^2+\sqrt{{\mathrm{fa}}^3(4l\sqrt{2\mathrm{af}-f^2}+4\mathrm{af})}}{f(2a-f)}---\left(2\right);$

4)在tracepro软件中建立CPC模型，所述CPC模型的表达式为(3)：

$x=\frac{y(a-f)\sqrt{2\mathrm{fa}-f^2}-{\mathrm{af}}^2+\sqrt{{\mathrm{fa}}^3(4y\sqrt{2\mathrm{af}-f^2}+4\mathrm{af})}}{f(2a-f)}---\left(3\right)$

其中，x，y分别为直角坐标系中的横坐标和纵坐标，并进行光学仿真，优化函数为如下三个方程：

光斑照度和最大聚光角满足显性方程(4)：

${\mathrm{\θ}}_{\max }=a\tan (\sqrt{{\mathrm{\φ}}_v/\mathrm{\π}{L}_v}/H)---\left(4\right);$

其中，φ_v为光源光通量，L_v为接收面光斑照度，H为CPC与接收面的距离，光斑照度随着最大聚光角的增大而减小；

光斑均匀性η和CPC入射口半径r为隐性函数，满足方程(5)：

η＝f(r)         (5)；

光斑均匀性η随着CPC入射口半径r的增大而增大；

聚光比C与最大聚光角θ_max满足方程(6)：

C＝1/sinθ_max        (6)，

聚光比C随着最大聚光角θ_max的增大而减小；

通过优化函数控制改变最大聚光角θ_max和CPC入射口半径r，直到光斑照度、光斑均匀性η或聚光比C达到优化目标值。

2.如权利要求1所述的一种基于tracepro软件的非规范复合抛物面聚光器的建模方法，其特征在于：所述复合抛物面聚光器应用于太阳能聚光器，优化目标值为光斑均匀性η或聚光比C。

3.如权利要求1所述的一种基于tracepro软件的非规范复合抛物面聚光器的建模方法，其特征在于：所述复合抛物面聚光器应用于灯具反光杯，优化目标值为光斑照度、光斑均匀性η。

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