CN102768400B - 无均光棒的反射太阳能聚光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无均光棒的太阳能光电聚光器，包括中央开孔的聚光的一次反射镜，该孔用于安装光电器件，形成一聚光面；用于反射一次反射镜的反射光线的二次反射镜，该聚光器具有一中心对称轴，所述一次反射镜是由一焦点不在中心轴上的抛物线段与其相对中心轴的对称线段一起绕中心轴旋转而成的旋转抛物面或一起沿垂直于该线段平面的轴延伸而成的抛物柱面，二次反射镜是由起点在中心轴上的线段与其相对中心轴的对称线段一起绕中心轴旋转而成的旋转面或一起沿垂直于该线段平面的轴延伸而成的柱面，平行入射于一次反射镜的光线经过一次反射镜和二次反射镜后无盲区的均匀照射在聚光面上。此聚光器可用于高倍的太阳能聚光，无需均光棒，具有无盲区、光照均匀、成本低，发电效率高的优点。

Description

无均光棒的反射太阳能聚光器

技术领域

本发明涉及一种太阳能光伏装置中的聚光部件，特别是涉及一种无均光棒的反射的低成本、高效率的太阳能聚光器。

背景技术

高效率地利用太阳能进行光伏发电是解决世界能源问题的大课题，由于太阳能是一种低密度的能量，进行高倍聚光是提高太阳能品质因素的方法之一。用于光伏发电的太阳能聚光器一般必须将光电器件置于下方，以接受来自上空的太阳能光线。上述聚光器的一般的结构是：一次聚光器(一般使用旋转抛物面或抛物柱面)置于下方，二次反射器再将反射到上方的光线反射到下方用于安装光电器件的聚光面上。由于所讨论的聚光器一般具有轴对称性，我们可以在二维平面中讨论这些设计。使用传统光学即使用旋转抛物面的设计方法如下：

如图1所示，二次反射镜2的面积大于聚光面8，一次反射镜1的旋转抛物面与二次反射镜2的旋转抛物面不同焦(6与7)，二次反射镜的焦点7在一次反射镜焦点6的上方，这样的设计，可采用二维平面图示。

在图1的设计中，由于二次反射镜2本身对直射太阳光3的阻挡，二次反射的光斑会在聚光面上留下盲区，这样的设计一般用于高倍聚光，但存在一个很大的设计缺陷，为了减少盲区，在许多设计中，在二次反射镜与聚光面之间添加了一个均光棒，这不但增加了成本，也更增加了光耗，另外，严格讲来，盲区还是不能被彻底消除。

使用传统光学所描述的旋转抛物面作为反射镜，不管如何改变反射面的尺寸，改变焦距或焦点位置，都不能够使二次反射镜反射后的光照以无盲区的完整均匀的方式覆盖在聚光面上，这样的光斑分布对于光伏发电是不利的，因为我们知道，非均匀的光照会使光伏电池的充满因子相应降低，电流阻抗增大，从而大大降低发电效率。

本发明旨在提供一种无均光棒的反射太阳能聚光器，克服了传统光学所描述的光学曲面的缺点，使反射光线能够以无盲区的完整均匀的方式覆盖在聚光面上，从而提高了聚光光伏器件的发电功率。

发明内容

本发明公开了一种无均光棒的反射聚光器，在具有二次反射镜的太阳能聚光器中，使用焦点不在中心轴上的一次反射镜，克服了传统的具有二次反射镜的太阳能聚光器会在聚光面上产生盲区的新的光学器件。此聚光器可用于高倍的太阳能聚光，无需均光棒，具有无盲区、光照均匀、成本低，发电效率高的优点。

本发明提供了一种无均光棒的反射式聚光器，包括中央开孔的一次反射镜，安装于该孔的光电器件形成一聚光面；用于反射一次反射镜的反射光线的二次反射镜，该聚光器具有一中心对称轴，所述一次反射镜是由一焦点不在中心轴上的抛物线段AB与其相对中心轴的对称线段一起绕中心轴旋转而成的旋转抛物面或一起沿垂直于该线段平面的轴延伸而成的抛物柱面，二次反射镜是由起点C在中心轴上的线段CD与其相对中心轴的对称线段一起绕中心轴旋转而成的旋转面或一起沿垂直于该线段平面的轴延伸而成的柱面；一次反射镜的中央开孔在二维平面内形成聚光线段AA′，聚光线段AA′的一个端点与抛物线段AB的一个端点A重合，聚光线段AA′的另一个端点A′为A点相对于中心轴的对称点，平行入射于一次反射镜的光线经过一次反射镜和二次反射镜后无盲区的均匀照射在聚光面上。

进一步的方案可以为第一种结构：设抛物线段A B的焦点F与抛物线段A

B落于中心轴同侧，二次反射线段CD与抛物线段AB落于中心轴两侧。

无盲区的均匀照射在聚光面上的第一种设计方式为：自一次反射抛物线段AB的A点反射的一次反射线经过二次反射线段C点反射到聚光线段AA′的A端点，即原路返回到A点，自抛物线段的B端点反射的一次反射线经过二次反射线段的D端点反射到聚光线段AA′的端点A′点。

第二种设计方式为：自一次反射抛物线段AB的A端点反射的一次反射线经过二次反射线段C点反射到聚光线段AA′的中点O点，自抛物线段的B端点反射的一次反射线经过二次反射线段的D端点反射到聚光线段AA′的A′端点。

第二种结构为：抛物线段A B的焦点F与抛物线段A B落于中心轴两侧，二次反射线段CD与抛物线段AB落于中心轴同侧。

进一步第三种设计方式为：自一次反射抛物线段AB的A点反射的一次反射线经过二次反射线段C端点反射到聚光线段AA′的A端点，即原路返回到A点，自抛物线段的B端点反射的一次反射线经过二次反射线段的D端点反射到聚光线段AA′的中点O点。

二维平面图中，以中心轴为Y轴，聚光线段AA′为X轴，两者交点O为原点，第一种结构中抛物线段AB可由下式表示：

$y=\frac{{(x+a)}^2}{4p}-\frac{{(a-x_1)}^2}{4p}$ x∈(-x₁，-x₂)   (1)

其中a，p，x₁，x₂均为正数，x₂＞x₁，-x₁，-x₂分别为A、B点的横坐标，x₁为聚光面的开口半径，x₂为一次反射镜的开口半径，聚光器的聚光倍数可以表示为x₂/x₁，为抛物线段AB所在抛物线顶点的坐标，p为抛物线焦距。

二维平面图中，以中心轴为Y轴，聚光线段AA′为X轴，两者交点O为原点，第二种结构中抛物线段AB可由下式表示：

$y=\frac{{(x-a)}^2}{4p}-\frac{{(a+x_1)}^2}{4p}$ x∈(-x₁，-x₂)         (5)

其中a，p，x₁，x₂均为正数，x₂＞x₁，-x₁，-x₂分别为A、B点的横坐标，x₁为聚光面的开口半径，x₂为一次反射镜的开口半径，聚光器的聚光倍数可以表示为x₂/x₁，为抛物线段AB所在抛物线顶点的坐标，p为抛物线焦距。

二次反射线段CD可以为直线段，表达式可如下式表示：

y＝c-bx   x∈(0，x₃)       (2)

其中c，b，x₃均为正数；

或为所在抛物线开口向上的抛物线段，如下式表示：

$y=\frac{{(x-a_1)}^2}{4p_1}-c_1$ x∈(0，x₃)        (3)

x∈其中a₁，p₁，c₁，x₃均为正数，p₁为抛物线焦距；

或为所在抛物线开口向下的抛物线段，如下式表示：

$y=c_2-\frac{{\left(x{+a}_2\right)}^2}{4p_2}$ x∈(0，x₃) (4)

其中a₂，p₂，c₂，x₃均为正数，p₂为抛物线焦距。

本发明所述的聚光器，为太阳能聚光器，该光电器件为聚光电池。

附图

图1是传统设计示意图

图2本发明的第一实施方式

图3本发明的第二实施方式

图4本发明的第三实施方式

图中：1一次反射镜，2二次反射镜，3太阳入射光线，4一次反射光线，5二次反射光线，6一次反射镜焦点，7二次反射镜焦点，8聚光面，9中心轴

具体实施方案

在反射聚光器的研究中，由于反射抛物面可以是抛物线绕中轴旋转而成的旋转抛物面或抛物线沿垂直该抛物线平面的轴延伸而成的抛物柱面，为了简化问题，我们可以先在二维平面内研究。如图1中，一次反射镜和二次反射镜均可简化为抛物线段。一次反射镜可以是由抛物线段AB与其相对中心轴的对称线段一起绕中心轴旋转而成的旋转抛物面或一起沿垂直于该平面的轴延伸而成的抛物柱面，二次反射镜可由抛物线段CD与其相对中心轴的对称线段一起绕中心轴旋转而成的旋转抛物面或一起沿垂直于该平面的轴延伸而成的抛物柱面。在一次反射镜的中心处形成圆孔，该圆孔用于安装光电器件。在太阳能聚光器中该圆孔用于安装光伏电池。在图1的设计中，由于二次反射镜2本身对平行直射太阳光3的阻挡，二次反射的光斑会在聚光面8上留下盲区。通过研究发现，在图1所示的聚光器的设计中，由于一次反射镜的焦点位于中心轴上，由A点反射的一次反射光线经过焦点6之后照射在二次反射镜的C点，该C点无法落于中轴上，因此，二次反射镜的中心必然存在照射盲区，从而使得二次反射线在聚光面上也必然留下盲区。为了解决这个问题，我们设计了如图2所示的第一种结构。

一次反射抛物线段AB，具有焦点F，绕中心轴形成对称抛物线段A′B′，两个线端之间的AA′形成聚焦线段。焦点F与抛物线段A B落于中心轴同侧。二次反射线段CD与抛物线段AB落于中心轴两侧。如图2所示，由于来自一次反射抛物线段最低点A点的一次反射线经过的焦点F位于中心轴左侧，因此该一次反射线可与中心轴相交于C点，以C点为起点，取线段CD反射来自抛物线段AB的一次反射线，形成二次反射线段CD。如此一来，二次反射线段将可被无盲区照射，二次反射线会聚的聚光线段AA′也可以被无盲区的照射，解决了传统反射聚光镜的照射盲区问题。

二维平面图中，以中心轴为Y轴，聚光线段AA′为X轴，两者交点O为原点，抛物线段AB可由下式表示：

$y=\frac{{(x+a)}^2}{4p}-\frac{{(a-x_1)}^2}{4p}$ x∈(-x₁，-x₂)      (1)

其中a，p，x₁，x₂均为正数，x₂＞x₁，-x₁，-x₂分别为A、B端点的横坐标，x₁为聚光面的开口半径，x₂为一次反射镜的开口半径，聚光器的聚光倍数可以表示为x₂/x₁，为抛物线段AB所在抛物线顶点的坐标，p为抛物线焦距。

二次反射线段CD最简单的形式为直线段，表达式可如下式表示：

y＝c-bx      x∈(0，x₃)(2)

其中c，b，x₃均为正数，b为直线段的斜率，x₃为D端点的横坐标。

为了使线段CD反射的二次反射线覆盖聚光线段AA′，第一种设计条件：如图2所示，可以设自一次反射抛物线段最低点A点反射的一次反射线经过二次反射线段C点反射到聚光线段AA′的左侧端点，即原路返回到A点，自B点反射的一次反射线经过D点反射到聚光线段AA′的右侧端点A′点。A点所在斜率对应的倾角α，C点所在斜率对应的倾角β，由上述条件可得β＝2α。若A点所在斜率Kα，C点所在斜率Kββ，则Kββ＝2Kα。在实际设计中，根据需要选定抛物线段AB的常数a，p，x₁，再结合给定的设计条件就可以完全确定抛物线段AB和直线段CD。再由线段AB和CD可分别得到其关于中心轴的对称线段，由此得到二维平面内的全部的一次反射线段和二次反射线段。接下来只要将两种反射线段和聚光线段AA′一起绕中心轴旋转就可得到旋转抛物面或一起沿垂直该二维平面的轴延伸而得到抛物柱面。

使线段CD反射的二次反射线覆盖聚光线段AA′的第二种设计条件：如图3所示，可以设自一次反射线段最低端A点反射的一次反射线经过C点反射到聚光线段从′的中点O点，自一次反射线段的B点反射的一次反射线经过D点反射到聚光线段AA′的右端点A′点。抛物线段的A点所在斜率对应的倾角α，直线段的C点所在斜率对应的倾角β，由上述设计条件可得β＝α。若A点所在斜率Kα，C点所在斜率Kβ，则Kβ＝Kα。在实际设计中，根据需要选定抛物线段AB的常数a，p，x₁，再结合给定的设计条件就可以完全确定抛物线段AB和直线段CD。再由线段AB和CD可分别得到其关于中心轴的对称线段，由此得到二维平面内的完整的一次反射线段和二次反射线段。接下来只要将两种反射线段和聚光线段AA′一起绕中心轴旋转就可得到旋转抛物面或一起沿垂直该二维平面的轴延伸而得到抛物柱面。

二次反射线段除了直线段以外，还可以是曲线段，优选抛物线段。如图2和3中，抛物线段也存在两种形式，如所在抛物线开口向上的CD′，可如下式表示：

$y=\frac{{(x-a_1)}^2}{4p_1}-c_1$ x∈(0，x₃)       (3)

其中a₁，p₁，c₁，x₃均为正数，p₁为抛物线焦距。

而所在抛物线开口向下的抛物线段CD″可如下式表示：

$y=c_2-\frac{{(x+a_2)}^2}{4p_2}$ x∈(0，x₃)   (4)

其中a₂，p₂，c₂，x₃均为正数，p₂为抛物线焦距。

由上面的分析可知，无论是抛物线段CD′还是CD″，在第一种设计条件下均满足：A点所在斜率Kα，C点所在斜率Kβ，Kβ＝2Kα。在第二种设计条件下均满足：A点所在斜率Kα，C点所在斜率Kβ，Kβ＝Kα。

由一次抛物线段AB和二次抛物线段CD′或CD构成的反射系存在8个参量，设计中只要根据需要设定部分参量，再结合第一设定条件或第二设定条件必然可确定出一次抛物线段和二次抛物线段。再分别得到其关于中心轴的对称线段，即可得到二维平面内的完整的一次反射线段和二次反射线段。接下来只要将两种反射线段和聚光线段AA′一起绕中心轴旋转就可得到旋转抛物面或一起沿垂直该二维平面的轴延伸而得到抛物柱面。

解决二次反射镜照射盲区的第二种结构如图4所示：

一次反射抛物线段AB，具有焦点F，绕中心轴形成对称抛物线段A′B′，焦点F与抛物线段A B落于中心轴两侧。二次反射线段CD与抛物线段AB落于中心轴同侧。如图4所示，来自A点的一次反射线通向焦点F时与中心轴相交于C点，以C为起点向左上方延伸形成拦截来自抛物线段AB的一次反射线的二次反射线段CD。如此一来，二次反射线段CD将可无盲区，聚光线段AA′也可以被无盲区的照射，解决了传统反射聚光镜的照射盲区问题。

此时抛物线段AB可由下式表示：

$y=\frac{{(x-a)}^2}{4p}-\frac{{(a+x_1)}^2}{4p}$ x∈(-x₁，-x₂)   (5)

其中a，p，x₁，x₂均为正数，x₂＞x₁，-x₁，-x₂分别为A、B点的横坐标，x₁为聚光面的开口半径，x₂为一次反射镜的开口半径，聚光器的聚光倍数可以表示为x₂/x₁，为抛物线段AB所在抛物线顶点的坐标，p为抛物线焦距。

二次反射线段CD最简单的为直线段，表达式可如下式表示：

y＝c-bx  x∈(0，x₃)    (6)

其中c，b，x₃均为正数，b为直线段的斜率，x₃为D端点的横坐标。

为了使线段CD反射的二次反射线覆盖聚光线段AA′，第三种设计条件：如图4所示，可以设自A点反射的一次反射线经过C点反射后原路返回到A点，自B点反射的一次反射线经过D点反射到聚光线段AA′的中点O点。A点所在斜率对应的倾角α，C点所在斜率对应的倾角β，由上述条件可得β＝2α。若A点所在斜率Kα，C点所在斜率Kβ，则Kββ＝2Kα。在实际设计中，根据需要选定抛物线段的常数a，p，x₁再结合给定的条件就可以完全确定抛物线段AB和直线段CD。再由线段AB和CD可分别得到其关于中心轴的对称线段，由此得到二维平面内的完整的一次反射线段和二次反射线段。接下来只要将两种反射线段和聚光线段AA′一起绕中心轴旋转就可分别得到旋转抛物面或一起沿垂直该二维平面的轴延伸而得到抛物柱面。

当然，二次反射线段除了直线段以外，同样可以是曲线段，优选抛物线段。如图4中，抛物线段也存在两种形式，如所在抛物线开口向上的CD′，可如下式表示：

$y=\frac{{(x-a_1)}^2}{4p_1}-c_1$ x∈(0，x₃)        (7)

其中a₁，p₁，c₁，x₃均为正数，p₁为抛物线焦距。

而所在抛物线开口向下的抛物线段CD″可如下式表示：

$y=c_2-\frac{{(x+a_2)}^2}{4p_2}$ x∈(0，x₃)    (8)

其中a₂，p₂，c₂，x₃均为正数，p₂为抛物线焦距。

由上面的分析可知，无论是抛物线段CD′还是CD″，在第三设计条件下均满足：A点所在斜率K α，C点所在斜率Kβ，Kββ＝2Kα。

由一次抛物线段AB和二次抛物线段CD′或CD构成的反射系存在8个参量，设计中只要根据需要设定部分参量，再结合第一设定条件或第二设定条件必然可确定出一次抛物线段和二次抛物线段。再分别得到其关于中心轴的对称线段，即可得到二维平面内的完整的一次反射线段和二次反射线段。接下来只要将两种反射线段和聚光线段AA′一起绕中心轴旋转就可得到旋转抛物面或一起沿垂直该二维平面的轴延伸而得到抛物柱面。

一次反射线段形成的旋转抛物面或抛物柱面构成一次反射镜，二次反射线段形成的旋转抛物面或抛物柱面构成二次反射镜，聚光线段形成的圆面或柱面构成聚光面，用于安装光电器件，如光伏电池。包含这样的一次和二次反射镜以及聚光面的反射式太阳能聚光器，消除了传统二次反射镜和聚光面的照射盲区，一方面充分利用了二次反射镜的反射面积，减小了二次反射镜的面积，也就减小了二次反射镜遮挡太阳光的面积，进一步提高了太阳光利用率；另一方面使得聚光面能够被均匀完整的照射，无需均光棒，大大提高了安装于聚光面上的光伏电池的光电转换效率，从而提高了聚光光伏器件的发电功率。

Claims (10)

1.一种反射聚光器，包括中央开孔的一次反射镜，安装于该孔的光电器件形成一聚光面；用于反射一次反射镜的反射光线的二次反射镜，该聚光器具有一中心对称轴，其特征在于：所述一次反射镜是由一焦点不在中心轴上的抛物线段AB与其相对中心轴的对称线段一起绕中心轴旋转而成的旋转抛物面或一起沿垂直于该线段平面的轴延伸而成的抛物柱面，二次反射镜是由起点C在中心轴上的线段CD与其相对中心轴的对称线段一起绕中心轴旋转而成的旋转面或一起沿垂直于该线段平面的轴延伸而成的柱面；一次反射镜的中央开孔在二维平面内形成聚光线段AA′，聚光线段AA′的一个端点与抛物线段AB的一个端点A重合，聚光线段AA′的另一个端点A′为A点相对于中心轴的对称点，平行中心轴入射于一次反射镜的光线经过一次反射镜和二次反射镜后无盲区的均匀照射在聚光面上。

2.根据权利要求1所述的聚光器，其特征是：抛物线段AB的焦点F与抛物线段AB落于中心轴同侧，二次反射线段CD与抛物线段AB落于中心轴两侧。

3.根据权利要求2所述的聚光器，其特征是：自一次反射抛物线段AB的A端点反射的一次反射线经过二次反射线段C端点反射到聚光线段AA′的A端点，即原路返回到A点，自抛物线段的B端点反射的一次反射线经过二次反射线段的D端点反射到聚光线段AA′的端点A′点。

4.根据权利要求2所述的聚光器，其特征是：自一次反射抛物线段AB的A端点反射的一次反射线经过二次反射线段C端点反射到聚光线段AA′的中点O点，自抛物线段的B端点反射的一次反射线经过二次反射线段的D端点反射到聚光线段AA′的A′端点。

5.根据权利要求1所述的聚光器，其特征是：抛物线段AB的焦点F与抛物线段AB落于中心轴两侧，二次反射线段CD与抛物线段AB落于中心轴同侧。

6.根据权利要求5所述的聚光器，其特征是：自一次反射抛物线段AB的A端点反射的一次反射线经过二次反射线段C端点反射到聚光线段AA′的A端点，即原路返回到A点，自抛物线段的B端点反射的一次反射线经过二次反射线段的D端点反射到聚光线段AA′的中点O点。

7.根据权利要求2或3或4所述的聚光器，其特征是：二维平面图中，以中心轴为Y轴，聚光线段AA′为X轴，两者交点O为原点，抛物线段AB可由下式表示：

x∈(-x₁，-x₂)      (1)

其中a，p，x₁，x₂均为正数，x₂＞x₁，-x₁，-x₂分别为A、B端点的横坐标，x₁为聚光面的开口半径，x₂为一次反射镜的开口半径，聚光器的聚光倍数可以表示为x₂/x₁， 为抛物线段AB所在抛物线顶点的坐标，p为抛物线焦距。

8.根据权利要求5或6所述的聚光器，其特征是：二维平面图中，以中心轴为Y轴，聚光线段AA′为X轴，两者交点O为原点，抛物线段AB可由下式表示：

x∈(-x₁，-x₂)      (5)

其中a，p，x₁，x₂均为正数，x₂＞x₁，-x₁，-x₂分别为A、B点的横坐标，x₁为聚光面的开口半径，x₂为一次反射镜的开口半径，聚光器的聚光倍数可以表示为x₂/x₁， 为抛物线段AB所在抛物线顶点的坐标，p为抛物线焦距。

9.根据权利要求1-6任一项所述的聚光器，其特征是：二次反射线段CD为直线段，表达式可由下式表示：

                                     （2）

其中c，b，均为正数；

或为所在抛物线开口向上的抛物线段，由下式表示：

                           （3）

其中，，，均为正数，为抛物线焦距；

或为所在抛物线开口向下的抛物线段，由下式表示：

                         （4）

其中，，，均为正数，为抛物线焦距。

10.根据权利要求1-6任一项所述的聚光器，其特征是：该聚光器为太阳能聚光器，该光电器件为光伏电池。