CN102809807B - 使用高次旋转曲面的非成像反射的太阳能聚光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能光电聚光器，一种轴对称的非成像反射的聚光器，包括中央开孔的具有旋转抛物面的一次反射镜，安装于该孔的光电器件形成的被聚光面和用于反射一次反射镜的反射光线的使用高次旋转曲面制成的非成像二次反射镜，其将二次反射光线以无盲区的完整覆盖的方式投射到聚光面上。二次反射镜的曲面形状是由无光像聚光理论计算出的高次旋转曲面，它们是由高次多项式函数，包括一次函数、二次函数和三次函数曲线线段绕中心轴旋转生成。高次旋转反射镜是一种克服了传统的二次反射镜的会在被聚光面上产生盲区的缺点的新的光学器件，此聚光器可用于低倍(2倍-20倍)或高倍的太阳能聚光，具有无盲区、光照均匀、成本低，发电效率高的优点。

Description

使用高次旋转曲面的非成像反射的太阳能聚光器

技术领域

本发明涉及一种太阳能光伏装置中的聚光器，特别是涉及一种使用高次旋转曲面的非成像反射的低成本、高效率的太阳能低倍及高倍聚光器。

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重大课题，由于太阳能是一种低密度的能量，进行低倍聚光(2-20倍)或高倍聚光(20倍以上)是提高太阳能品质因素的方法之一。用于聚光光伏的聚光器有两种类型：折射聚光器和反射聚光器；前者大多数使用透镜、光纤等；后者大多使用平面或曲面反射镜。在目前现代技术的框架内，折射聚光器的成本要高于反射聚光器，所以在成本是一个重要因素的太阳能的运用中，许多作者花了相当的精力研究反射聚光器是可以理解的。在反射聚光器中，一般使用轴对称的两级聚光，包括中央开孔的具有旋转抛物面的一次反射镜，安装于该孔的光电器件形成的被聚光面和用于反射一次反射镜的反射光线的二次反射镜。按照传统光学的设计，一次反射镜及二次反射镜的形状皆使用旋转抛物面或它们的变形，如复合抛物面等。由于所讨论的聚光器的轴对称性，我们可以在二维空间中讨论这些设计，即以装置的侧视图进行讨论。使用传统光学即使用旋转抛物面的设计有下面几种方法：

1、如图1所示，二次反射镜的面积与被聚光面大致相同，一次反射镜的旋转抛物面与二次反射镜的旋转抛物面是同焦的，这样的设计可采用二维平面图示。

在图1所示的设计中，一次反射镜1的反射面积是二次反射镜2反射面积的n倍，由于二次反射镜本身的阻挡，也由于一次反射镜开有内孔用于安装光电器件，此部分不能反射太阳光线，所以投射到二次反射曲面上的光照是不完整覆盖的，不完整覆盖的光照经具备有成像性能的二次反射镜再投射到被聚光面8上的光斑中心存在一个光照盲区，此盲区的面积是：

$\mathrm{\Δ}={\left(\frac{l_2}{l_1}\right)}^2{s}_2---\left(1\right)$

其中l₁为一次反射镜焦距，l₂为二次反射镜焦距，S₂为二次反射镜的面积，如果则中心盲区的面积大约是光电器件面积的在光电器件中心有这么一个大的盲区，对聚光器而言，是一个很大的设计缺陷。

2、如图2所示，二次反射镜2的面积与被聚光面8大致相同，一次反射镜1的旋转抛物面与二次反射镜2的旋转抛物面是不同焦(6与7)的，二次反射镜的焦点在一次反射镜焦点的上方，这样的设计，可采用二维平面图示。

在图2所示的设计中，中心的盲区相应缩小了，但产生了周围的盲区，对聚光器而言，是一个很大的设计缺陷。

3、如图3所示，二次反射镜的面积与被聚光面大致相同；一次反射镜1的旋转抛物面与二次反射镜2的旋转抛物面是不同焦(6与7)的，二次反射镜的焦点在一次反射镜焦点的下方，这样的设计，可采用二维平面图示。

在图3所示的设计中，周围的盲区消失了，但中心盲区增大了，对聚光器而言，是一个很大的设计缺陷。

4、如图4所示，二次反射面2小于被聚光面8；一次反射镜1的旋转抛物面与二次反射镜2的旋转抛物面是不同焦(6与7)的，二次反射面的焦点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4所示的设计中，由于二次反射镜2只能覆盖并反射从一次反射镜1反射来的一部分入射光线4，所以这种设计是不可行的。

5、如图5所示，二次反射镜2的面积小于被聚光面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的下方，这样的设计可采用二维平面图示。

在图5所示设计中，二次反射镜2将从一次反射镜收集来的光线4大部分反射到非被聚光面处，所以这种设计是不可行的。

6、如图6所示，二次反射镜2的面积大于被聚光面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6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被聚光面上留下盲区，虽然这样的设计一般用于高倍聚光，也是一个很大的设计缺陷，为了减少盲区，在许多设计中，在二次反射镜与被聚光面之间添加了一个光学棒状耦合器，这不但增加了成本，也增加了光耗，另外，严格讲来，盲区还是不能被彻底消除的。

上述讨论已经显示，使用传统光学所描述的旋转抛物面曲面作为二次反射镜，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覆盖的方式覆盖在被聚光面上，这样的光强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。

本发明公开了一种使用非成像反射镜面进行反射的太阳能聚光器，克服了传统光学所描述的光学曲面的缺点。使用非成像的反射面，其反射光线能够以无盲区的完整覆盖的方式覆盖在被聚光面上，从而提高了聚光光伏器件的发电效率。

非成像光学是现代光学的一个分支，非成像光学遵循的是光线收集最大化的原则，而不去注意光线之间的相位。所以，非成像光学中的设计重点是研究光线的聚集及分布，而舍弃他们成像的能力。发明人将英文文献中的Non-Imaging Optics中文直译为无光像光学或非成像光学。

传统的非成像光学以复合抛物面作为主要工具，使用高次曲面的非成像反射镜的理论是由发明人在多年前提出的。

关于发明人在非成像光学中的理论计算及实践中的应用以及专利发明，在本专利所披露的发明之前，已披露的文献及背景材料介绍如下：

1.陈应天等人发表于Journal of Solar Energy，Vol.71/3，155-164，2001的《Non-Imaging，Focusing Heliostat》，本文第一次介绍了一种非成像、在固定目标上聚光的定日镜的理论和可能的应用。作者提出了在许多光学应用中，为了能量的聚汇，可以使用不同于传统光学的装置，将光线进行直接的叠加以减少光斑的像差，而不必顾及光线之间的相位关系。在如此的操作中，新的光学装置可以是非连续的，甚至是可以主动调节的，称为非成像曲面，它们一般是不限于二次曲面的高次曲面。

2.陈应天等人发表于Journal of Solar Energy，Vol.72，No.6，531-544，2002的《Report of the First Prototype of Non-ImagingFocusing Heliostat and Its Application in High TemperatureSolar Furnace》，本文发表了可以聚光到一万倍以上太阳的有主动控制和调节的非成像太阳炉的概念。

3.陈应天等人发表于Journal of Solar Energy Materials andSolar Cells，Vol.79，1-20，2003的《Study of Residual Aberrationof Non-Imaging Focusing Heliostat》，本文系统地介绍了非成像装置包括定日镜的理论，对于光斑设计的计算方法，文章中所介绍使用的光线跟踪(Ray Tracing)的计算方法原则上可以应用于所有非成像装置的计算中，是发明人后期对各种非成像发明及应用进行计算和光线评估的主要工具之一。

4.陈应天等人发表于Journal of Solar Energy，Vol.79，280-289，2005的《Report on the Second Prototype of Non-Imaging FocusingHeliostat and Its Application in Food Processing》，本文举例介绍了非成像聚光定日镜在工业中的应用。

5.陈应天等人发表于Journal of Solar Energy，Vol.80，268-271，2005的《Off-axis Aberration Correction Surface in the SolarEnergy Application》，本文发表了非成像光学在非近轴聚焦中的应用的一般理论，给出了使用高次曲面的非成像光学的新的概念。

6.陈应天申请于2004年11月29日的《无光象跟踪聚光太阳能发电装置的方位优化设计》，CN100414093C，本专利申请披露了一种非成像聚光器在跟踪过程中的方位优化方案。

7.陈应天申请于2005年5月31日的《分立式全天跟踪太阳灶》，CN1779381A，本专利申请披露了一种使用高次曲面的非成像聚光器在太阳灶中的应用。

8.陈应天申请于2006年8月4日的《一种采用自旋-仰角跟踪方式的太阳炉》，CN101004298A，本专利申请披露了一种使用新的跟踪方法的非成像聚光器制造太阳炉的发明。

9.陈应天申请于2012年2月29日的《非近轴高次柱面组成的平板式反射聚光器》，CN102566022A，本专利申请披露了一种使用高次柱面非成像的聚光器的发明。

本发明披露了一种使用高次旋转曲面非成像反射的聚光器，本发明内容所依赖的计算理论也可从上述的与使用高次曲面的非成像光学有关的现有技术背景材料中取得。

发明内容

本发明公开了一种具有轴对称的使用高次旋转曲面的非成像反射的聚光器，一种克服了传统的具有二次反射镜的太阳能聚光器会在被聚光面上产生盲区的缺点的新的光学器件。此聚光器可用于低倍(2倍-20倍)或高倍的太阳能聚光，具有无盲区、光照均匀、成本低，发电效率高的优点。

在图1所示或类似于图1所示的图2、图3、图4、图5和图6的聚光器的设计中，一次反射面上包含有开有内孔放置光电器件的被聚光面的非反射部分，由于二次反射镜本身处在入射太阳光线3的光路中并阻挡了入射光线，根据成像光学的原理，在有成像性能的二次反射镜中必然会映射出这个非反射部分或被阻挡部分的像，即在被聚光面上形成上述的盲区。为了克服这个设计上的缺点，本发明人提出了采用非成像反射镜面的方案，即在具有二次反射镜的聚光器中，二次反射镜是由非成像的反射曲面组成，克服了在被聚光面上必然会映射出一次反射镜的这个非反射部分或被阻挡部分的像的规律，实现了二次反射光以无盲区的完整覆盖的方式覆盖在被聚光面上，从而提高了聚光光伏器件的发电效率。

本发明的所谓非成像是指反射光是非成像的，应用本申请所提出的发明，不会映射出一次反射镜中非反射部分的像，即不会在被聚光面上形成上述的盲区。本发明的非成像曲面可以由发明人先前所提出的使用高次曲面的非成像光学的理论计算出来。

在具有轴对称性的聚光器中，使用高次曲面的非成像反射曲面可以是由一种高次曲线的线段绕一次反射镜的中心轴旋转而生成，这种曲线可以用一般的多项式表示：

y(x)＝A+Bx+Cx²+Dx³+......[x∈(x₁，x₂)]    (2)

其中，A、B、C、D等待定系数是常数或者是焦距、入射角的函数，x₁、x₂是线段两个端点在X方向的坐标，A、B、C、D的选择可以使由以上方法所形成的曲面作为二次反射曲面，将入射到本曲面上的不完整覆盖的光照以无盲区的完整覆盖的方式反射到被聚光面上。

进一步具体地说明，所述的非成像二次反射镜的曲面可以由一次函数曲线中截取合适的线段并绕一次反射镜的中心轴旋转而成，这种曲线是公式(2)中的高次曲线取至一次的形式，此曲线可以在不失一般性的情况下用下式表示：

y＝kx+λ      [x∈(0，x₀)]         (3)

其中k、λ是待定系数或常数，线段起点为X方向位于中心轴上的原点，x₀为线段终点的X方向坐标，k、λ的选择可以使所形成的二次反射面，将入射到该曲面上的不完整的一次反射光照以无盲区的完整覆盖的方式反射到被聚光面上。

进一步具体地说明，非成像二次反射镜的曲面可以由二次函数曲线中截取合适的线段并一心绕一次反射镜的中心轴旋转而成，这种曲线是公式(2)中的高次曲线取至二次的形式，此曲线可以在不失一般性的情况下用下式表示：

$y\left(x\right)=y_0-\frac{{(x+a)}^2}{4r},[x\∈(0,x_0)]---\left(4\right)$

其中y₀、a、r是待定常数，(-a，y₀)是抛物线的顶点，r是抛物线的焦距，线段起点为X方向位于中心轴上的原点，x₀为线段终点的X方向坐标，y₀，a，r的选择可以使所形成的二次反射面，将入射到该曲面上的不完整的一次反射光照以无盲区的完整覆盖的方式反射到被聚光面上。

进一步具体地说明，非成像二次反射镜的曲面可以由三次函数曲线中截取合适的线段并绕一次反射镜的中心轴旋转而成，这种曲线是公式(2)中的高次曲线取至三次的形式，此曲线可以在不失一般性的情况下用下式表示：

y＝α+□(x+γ)³     [x∈(0，x₀)](5)

其中α、□、γ是待定常数，(-γ，α)是三次曲线拐点的坐标；□是曲线的曲率的量度，线段起点为X方向位于中心轴上的原点，x₀为线段终点的X方向坐标，α、□、γ的选择可以使所形成的二次反射面，将入射到该曲面上的不完整的一次反射光照以无盲区的完整覆盖的方式反射到被聚光面上。

从上述的内容可以看出，参照图7，本发明所描述的非成像反射曲面22是由高次曲线包括一次、二次和三次曲线10绕中心轴9旋转而生成的，在图7所示的示意图中，21为一次反射镜，22为旋转高次曲面的二次反射镜，24为一次反射光线，23为太阳入射光线，8是安装光电器件的被聚光面，9为曲线的旋转轴，9也是一次反射镜的中心轴，经旋转而生成的曲面22由于奇点的存在，是不连续的，是一种非成像反射镜，它的作用是将入射光线24以无盲区的形式反射到被聚光面上。在本专利所公开的发明中，经过非成像光学的精细的计算，有下述两种光线路径可以做到这一点。

光线路径一：如图8所示的聚光器的侧视图，在这种光线路径中，反射曲线10可以将从A点(曲线10的中心轴相对侧的一次反射镜同被聚光面交界点)发出的一次反射光线24反射到O点(被聚光面的中心点)，而同时此反射曲线还可以将从B点(曲线10的中心轴相对侧的一次反射镜的边缘点)发出的一次反射光线24反射到A′点(曲线10的中心轴相同侧的一次反射镜同被聚光面交界点)，只要达到这样的要求，就可以在被聚光面上实现将二次反射面的反射光线以无盲区和比较均匀的方式覆盖在被聚光面上。以上所述的两个条件可以依据反射定律用来计算公式(3)，(4)，(5)中的待定系数。

光线路径二：如图9所示，本发明可以实施的还有第二种光线路径，反射曲线10可以将从A点(曲线10的中心轴相对侧的一次反射镜同被聚光面交界点)发出的一次反射光线24反射到A点，而同时此反射曲线还可以将从B点(曲线10的中心轴相对侧的一次反射镜的边缘点)发出的一次反射光线24反射到A′点(曲线10的中心轴相同侧的一次反射镜同被聚光面交界点)，以上所述的两个条件可以依据反射定律用来计算公式(3)，(4)，(5)中的待定系数，从而可以实现将二次反射面的光线以完整覆盖的、无盲区和比较均匀的方式覆盖在被聚光面上。

不管在第一种或者第二种光线路径一或二中，我们都使用了光学中的边缘光线原理，边缘光线原理是说：如果我们仅仅考虑一束光线的两条边缘的光线，这两条边缘光线能够落在给定的目标的两点上，则本束光线的其他所有光线也自然落入由这两点所界定的目标范围之内。上述的光学原理保证了这两种光线路径可以使本发明所披露的高次曲面的非成像反射镜根据设计的要求将二次反射面的光线以完整覆盖的、无盲区和比较均匀的方式覆盖在被聚光面上。

旋转曲面所反射的光线在被聚光面上呈径向分布，这种径向光线的分布，由于一维光线的光密度的距离平方正比关系与二维径向分布的距离平方反比关系的互补，使得本发明所披露的使用高次曲面的反射镜对被聚光面的光照的覆盖，在没有盲区的情况下，是一种均匀或者比较均匀的覆盖。

发明者会在具体实施方案中再进行详细说明。

附图

图1是传统设计示意图，是二次反射镜面积与被聚光面大致相同，一次反射镜旋转抛物面与二次反射镜的旋转抛物面共焦的传统设计；

图2是传统设计示意图，是二次反射镜面积与被聚光面大致相同，一次反射镜的旋转抛物面与二次反射镜的旋转抛物面不同焦，且二次反射镜的焦点在一次反射镜的上方的传统设计；

图3是二次反射镜面积与被聚光面大致相同且二次反射镜焦点在一次反射镜的下方的传统设计；

图4图示二次反射面的面积小于聚焦面，且二次反射镜焦点在一次反射镜的焦点上方的传统设计；

图5图示是二次反射镜的面积小于聚焦面，且二次反射镜焦点在一次反射镜焦点下方的传统设计；

图6是二次反射镜的面积大于聚焦面，一次反射镜的旋转抛物面与二次反射镜的旋转抛物面不同焦，二次反射镜的焦点在一次反射镜的上方的传统设计；

图7由高次曲线绕中心轴旋转而生成的非成像反射曲面；

图8按照光线路径一所形成的非成像反射镜的工作原理

图9按照光线路径二所形成的非成像反射镜的工作原理

图10使用一次函数形成锥形非成像反射镜实现低倍聚光的装置

图11使用二次函数形成非成像反射镜实现高倍聚光的装置

图12使用三次函数形成非成像反射镜实现低倍聚光的装置

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，由二次函数生成的二次反射镜焦点8，被聚光面9，中心轴，10，高次曲线段21，一次反射镜22，二次反射镜23，太阳入射光线24，一次反射光线25，二次反射光线

具体实施方案

本发明的关键在于在具有二次反射镜的轴对称的聚光器中，二次反射镜是由高次曲线旋转所形成的非成像的反射曲面组成，该非成像的二次反射镜将一次反射光线以无盲区的形式反射到被聚光面上。该非成像二次反射镜的曲面是使用由公式(2)所示的高次函数曲线中截取合适的线段并绕中心轴旋转而生成。为了进一步说明，在具体实施方案中，我们举例一次、二次、三次曲线形成旋转非成像反射面，实现将二次反射面的光线以完整覆盖的、无盲区和比较均匀的方式覆盖在被聚光面上。

1)第一实施例是关于使用一次曲线进行低倍聚光的实施，一次反射镜是采用下列方程式表示的抛物线绕中心轴旋转形成，

$y\left(x\right)=\frac{x^2}{4\×40\left(\mathrm{mm}\right)},[x\∈(-225\mathrm{mm},225\mathrm{mmm})]$

在上述的直径为450mm的旋转抛物面的反射镜中央部分，开有直径为150mm的圆孔以放置低倍聚光光伏电池，一次反射镜上方设有高透射率的密封面，密封面中心部位设有非成像二次反射镜。为了使二次反射镜所反射的太阳光强能够以无盲区的完整覆盖的方式覆盖在低倍被聚光面上，按照发明内容所述，在图10所示的低倍聚光设计中，使用由公式(3)所示的一段直线线段绕中心轴旋转而生成的锥形的非成像曲面。根据图8或图9所示的光线路径一或二，确定该线段的待定系数。该实施例以图9所示的光线路径二为例，使直线段10将从A点(直线10的中心轴相对侧的一次反射镜同被聚光面交界点)发出的一次反射光线24投射到A点，而同时此直线段还可以将从B点(曲线10的中心轴相对侧的一次反射镜的边缘点)发出的一次反射光线24投射到A′点(曲线10的中心轴相同侧的一次反射镜同被聚光面交界点)，由此我们设计了一个由下列直线段：

y(x)＝151.285mm-0.6926x，[x∈(0，45mm)]

绕中心轴旋转而形成的曲面。将上述线段绕图10中的中心轴OO旋转，则可设计成所需要的非成像反射圆锥曲面。此曲面可以将A点的一次反射光线24反射回A点。于此同时将一次反射镜边缘处的反射光线24反射回A，使二次反射镜所反射的太阳光强能够以无盲区的完整覆盖的方式覆盖在低倍被聚光面上

本实施方案的设计，如果不计聚光器中不同元件的透射及反射所产生的光耗，该聚光器能提供8倍以上的聚光效果，在提高发电效率的同时，大大降低低倍聚光光伏电池的成本。

2)第二实施例是关于使用二次函数曲线进行高倍聚光的实施，在图11所示的高倍聚光设计中，一次反射镜采用下列方程式表示的抛物线绕中心轴旋转而成，

$y\left(x\right)=\frac{x^2}{4\×40\left(\mathrm{mm}\right)},x\∈(-225\mathrm{mm},225\mathrm{mm})$

在上述的直径为450mm的旋转抛物面反射镜的中央部分，开有直径为40mm的圆孔可以放置高倍聚光电池，一次反射镜上方设有高透射率的密封面，密封面中心部位设有非成像二次反射镜。为了使二次反射镜所反射的太阳光强能够以无盲区的完整覆盖的方式覆盖在高倍被聚光面上，按照发明内容所述，在图11所示的高倍聚光设计中，使用由公式(4)所示的一段顶点不位于中心轴上的抛物线线段绕中心轴旋转而生成非成像曲面。根据图8或图9所示的光线路一或二，确定该线段的待定系数。该实施例以图9所示的光线路径二为例，使曲线10可以将从A点(曲线10的中心轴相对侧的一次反射镜同被聚光面交界点)发出的一次反射光线24投射到A点，而同时此曲线还可以将从B点(曲线10的中心轴相对侧的一次反射镜的边缘点)发出的一次反射光线24反射到A′点(曲线10的中心轴相同侧的一次反射镜同被聚光面交界点)，我们设计了一个由下列曲线：

$y\left(x\right)=122.2\mathrm{mm}-\frac{{(x+0.22\mathrm{mm})}^2}{4\×2.43\mathrm{mm}},[x\∈(0,5.5\mathrm{mm})]$

绕中心轴旋转而形成的曲面，此曲面可以将A点的一次反射光线24反射回A点。于此同时将一次反射镜边缘处的反射光线24反射回A点。使二次反射镜所反射的太阳光强能够以无盲区的完整覆盖的方式覆盖在低倍被聚光面上。上式所描述的曲线，实际上是公式(4)中顶点为(-0.22mm，122.2mm)，焦距为2.43mm的抛物线，其线段x方向长为5.5mm，由于此抛物线的对称轴位于x＝-0.22mm的直线处，所以它绕中心轴旋转而生成的曲面是有奇点的，这样的旋转曲面是不可微分的，或者说是不连续的，它不可能在传统光学的意义下进行有光像或成像的聚光或映射，然而，它却能如图11所示，将入射光线以一种无盲区的完整覆盖的方式投射到高倍被聚光面上。

本实施方案的设计，如果不计聚光器中不同元件的透射及反射所产生的光耗，该聚光器能提供500倍的聚光效果，在提高发电效率的同时，大大降低高倍聚光光伏电池的成本。

3)第三实施例是关于使用三次曲线进行低倍聚光的实施，在图12所示的低倍聚光设计中，一次反射镜采用下列方程式表示的抛物线绕中心轴旋转而成，

$y\left(x\right)=\frac{x^2}{4\×40\left(\mathrm{mm}\right)},x\∈(-225\mathrm{mm},225\mathrm{mm})$

在上述的直径为450mm的旋转抛物面反射镜的中央部分，开有直径为75mm的圆孔可以放置低倍聚光电池，一次反射镜上设有高透射率的密封面，密封面中心部位设有非成像二次反射镜。为了使二次反射镜所反射的太阳光强能够以无盲区的完整覆盖的方式覆盖在高倍被聚光面上，按照发明内容所述，在图12所示的低倍聚光设计中，使用由公式(5)所示的一段拐点不位于中心轴上的三次方曲线线段绕中心轴旋转而生成的非成像曲面。该实施例以图8所示的光线路径一为例，使曲线10可以将从A点(曲线10的中心轴相对侧的一次反射镜同被聚光面交界点)发出的一次反射光线24投射到0点(被聚光面的中心点)，而同时此曲线还可以将从B点(曲线10的中心轴相对侧的一次反射镜的边缘点)发出的一次反射光线24投射到A′点(曲线10的中心轴相同侧的一次反射镜同被聚光面交界点)，我们设计了一个由下列曲线：

y(x)＝135mm-0.00004073(x+46.67)³，[x∈(0，25mm)]

绕中心轴旋转而形成的曲面，此曲面可以将A点的一次反射光线24投射到0点。同时，可将一次反射镜边缘处的反射光线24反射回A点。上式所描述的曲线，实际上是公式(5)中拐点为(-46.67mm，135mm)，曲率度量为0.00004073的三次方曲线，其线段X方向长为25mm，由于此曲线的对称轴位于x＝-46.67mm的直线处，所以它绕中心轴旋转而生成的曲面是有奇点的，这样的旋转曲面是不可微分的，或者说是不连续的，它不可能在传统光学的意义下进行有光像或成像的聚光或映射，然而，它却能如图12所示，将入射光线以一种无盲区的完整覆盖的方式投射到低倍被聚光面上。本实施方案的设计，如果不计聚光器中不同元件的透射及反射所产生的光耗，该聚光器能提供8倍的聚光效果，在提高发电效率的同时，大大降低高倍聚光光伏电池的成本。

Claims (6)

1.一种轴对称的非成像反射的聚光器，包括中央开孔的具有旋转抛物面的一次反射镜，安装于该孔的光电器件形成的被聚光面和用于反射一次反射镜的反射光线的二次反射镜，其特征在于：该二次反射镜为使用高次旋转曲面的非成像反射镜，其将二次反射光线以无盲区的完整覆盖的方式投射到被聚光面上；所述高次旋转曲面的非成像二次反射镜的曲面是由非成像聚光理论计算出的反射曲面；

所述非成像二次反射镜的曲面是由高次多项式函数，包括三次函数曲线线段绕中心轴旋转生成的曲面组成；此曲线可以用一般的多项式表示：

        （2）

其中，A、B、C、 D…等系数是常数或焦距、入射角的函数，x₁、x₂是所述线段两个端点x方向的坐标，A、B、C、 D……的选择可以使所形成的高次反射面，将入射到该曲面上的不完整的一次反射光照以无盲区的完整覆盖的方式反射到被聚光面上；

   所述非成像二次反射镜的曲面可以由三次函数曲线中截取合适的线段并绕一次反射镜的中心轴旋转而成,此曲线可以用下式表示：

             (5)

    其中、、 是待定常数,(,) 是三次曲线拐点的坐标;  是曲线的曲率的量度,线段起点为x方向原点位于中心轴上，x₀为线段终点的x方向坐标，、、的选择可以使所形成的二次反射面，将入射到该曲面上的不完整的一次反射光照以无盲区的完整覆盖的方式反射到被聚光面上。

2.根据权利要求1所述的聚光器，其特征是：曲线线段的截取原理为使曲线线段将从该线段的中心轴相对侧的一次反射镜同被聚光面的交界点发出的一次反射光线反射投射到被聚光面的中心点，而同时将从该线段的中心轴相对侧的一次反射镜的边缘点发出的一次反射光线反射到该线段的中心轴相同侧的一次反射镜同被聚光面的交界点。

3.根据权利要求1所述的聚光器，其特征是：曲线线段的截取原理为使曲线线段将从该线段的中心轴相对侧的一次反射镜同被聚光面的交界点发出的一次反射光线反射投射到该点，而同时将从该线段的中心轴相对侧的一次反射镜的边缘点发出的一次反射光线反射到该线段的中心轴相同侧的一次反射镜同被聚光面的交界点

4.根据权利要求1-3任一项所述的聚光器，其特征是：该聚光器为太阳能聚光器。

5.根据权利要求1-3任一项所述的聚光器，其特征是：该光电器件为聚光电池。

6.根据权利要求1-3任一项所述的聚光器，其特征是：一次反射镜上设有高透射率的密封面，密封面中心部位设有非成像二次反射镜。