CN103676120B - 基于卡塞格林反射原理的旋转式太阳能聚光方法 - Google Patents

Abstract

基于卡塞格林反射原理的旋转式太阳能聚光方法，涉及一种可调节型太阳能高倍聚光方法。为了解决目前的现有太阳能聚集系统的光路的控制以及接收面的布置不够灵活的问题。建立聚集系统：设置二次镜与一次抛物面共享一个焦点，将接收面布置在二次镜的共轭焦点处；再将二次镜绕所述一次抛物面旋转，根据接收面需要设定的位置求取二次镜的结构参数，同时在保证二次镜能接收到所述焦点的所有聚集光线的条件下，基于几何光学原理求解所述二次镜绕一次抛物面旋转角度的最大值；在二次镜绕一次抛物面旋转角度的最大值的范围内调节接收面和二次镜使聚集系统的接受面能实时接收聚集能流。所述二次镜为双曲面或半椭球凹面。它用于太阳能高倍聚集能流。

Description

基于卡塞格林反射原理的旋转式太阳能聚光方法

技术领域

本发明涉及一种可调节型太阳能高倍聚光方法。

背景技术

太阳能资源丰富、清洁易得，具有广泛的应用前景，太阳能聚集器将多倍聚集能流汇聚到指定位置目标进行利用，达到高效利用、节约成本等效果。对一些太阳能利用系统领域，转移太阳影像更有利于吸热器接收聚集能流，而现有太阳能聚集系统吸热器的相对位置固定，不能实现接收面的实时旋转接收。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前的现有太阳能聚集系统的光路的控制以及接收面的布置不够灵活的问题，本发明提供一种基于卡塞格林反射原理的旋转式太阳能聚光方法。

本发明的基于卡塞格林反射原理的旋转式太阳能聚光方法，

它包括如下步骤：

步骤一：建立旋转卡塞格林聚集系统：

设置二次双曲面与一次抛物面共享一个焦点，将接收面布置在二次双曲面的共轭焦点处，所述一次抛物面的焦比值需小于等于0.25；

步骤二：将旋转卡塞格林聚集系统的二次双曲面绕所述一次抛物面旋转，再根据接收面需要设定的位置求取二次双曲面的结构参数；

步骤三：根据步骤二求取的二次双曲面的结构参数，在保证旋转卡塞格林聚集系统中二次双曲面能接收到所述焦点的所有聚集光线的条件下，基于几何光学原理求解所述二次双曲面绕一次抛物面旋转角度的最大值；

步骤四：在步骤三确定的二次双曲面旋转角度的最大值的范围内，同时调节旋转卡塞格林聚集系统的接收面和二次双曲面，使旋转卡塞格林聚集系统的接受面能实时接收聚集能流。

本发明还提供一种基于卡塞格林反射原理的旋转式太阳能聚光方法，它包括如下步骤：

步骤一：建立旋转格里聚集系统：

设置二次半椭球凹面与一次抛物面共享一个焦点，将接收面布置在二次半椭球凹面的共轭焦点处，所述一次抛物面的焦比值需大于等于0.25；

步骤二：将旋转卡塞格林聚集系统的二次半椭球凹面绕所述一次抛物面旋转，再根据接收面需要设定的位置求取二次半椭球凹面的结构参数；

步骤三：根据步骤二求取的二次半椭球凹面的结构参数，在保证旋转卡塞格林聚集系统中二次半椭球凹面能接收到所述焦点的所有聚集光线的条件下，基于几何光学原理求解所述二次半椭球凹面绕一次抛物面旋转角度的最大值；

步骤四：在步骤三确定的二次半椭球凹面旋转角度的最大值的范围内，同时调节旋转卡塞格林聚集系统的接收面和二次半椭球凹面，使旋转卡塞格林聚集系统的接受面能实时接收聚集能流。

本发明的有益效果在于，调节所述聚集系统的跟踪方向，使入射太阳光平行照射在一次抛物面，之后被所述一次抛物面反射、聚集投向其焦点方向；与一次抛物面1共享焦点的二次双曲面2或二次半椭球凹面4将汇聚光束反射至其共轭焦点处，即可被接收面3接收。本发明满足了接收面3的位置变化需求，可应用于地面太阳能高温实验，以增加接收面3和数据采集系统等设备布置的灵活稳定；还可应用于太阳能热推进器的跟踪聚集系统，将聚集系统和推力器进行解耦，使聚集系统的调节不会影响到喷管的推力方向。本发明有以下有益效果：

1.聚集器聚光倍数高

一次抛物面1采用碟式抛物面，有利于获得高倍聚集能流，对于整个二次聚集系统的最高聚光比可达7000，接收面光斑呈现高斯分布。

2.系统结构紧凑

利用二次双曲面2或二次半椭球凹面4的反射作用，太阳辐射光线在整个聚集系统内部进行Z形折返式传输，使得光程较长但各部件之间相对位置紧凑，缩小占用面积。

3.应用灵活方便

旋转式卡塞格林聚集系统可根据接收器的布置需要改变二次双曲面2或二次半椭球凹面4的旋转角度，灵活转移太阳影像，原理简单，操控方便。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的旋转卡塞格林聚集系统的原理示意图。

图2为具体实施方式五所述的旋转格里聚集系统的原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于卡塞格林反射原理的旋转式太阳能聚光方法，它包括如下步骤：

步骤一：建立旋转卡塞格林聚集系统：

设置二次双曲面2与一次抛物面1共享一个焦点，将接收面3布置在二次双曲面2的共轭焦点处，所述一次抛物面1的焦比值需小于等于0.25；

步骤二：将旋转卡塞格林聚集系统的二次双曲面2绕所述一次抛物面1旋转，再根据接收面3需要设定的位置求取二次双曲面2的结构参数；

步骤三：根据步骤二求取的二次双曲面2的结构参数，在保证旋转卡塞格林聚集系统中二次双曲面2能接收到所述焦点的所有聚集光线的条件下，基于几何光学原理求解所述二次双曲面2绕一次抛物面1旋转角度的最大值；

步骤四：在步骤三确定的二次双曲面2旋转角度的最大值的范围内，同时调节旋转卡塞格林聚集系统的接收面和二次双曲面2，使旋转卡塞格林聚集系统的接受面能实时接收聚集能流。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于卡塞格林反射原理的旋转式太阳能聚光方法的进一步限定，步骤二中，将旋转卡塞格林聚集系统的二次双曲面2绕所述一次抛物面1旋转，再根据接收面3需要设定的位置求取二次双曲面2的结构参数的方法为：

首先，根据接收面3的中心位置坐标为(x₀,y₀)，求取二次双曲面2绕所述一次抛物面1旋转角度为α，所述α=arctan(x₀/(f-y₀))；

然后，根据实际需要确定二次双曲面2的a或b中的一个；

再根据a²+b²=(x₀ ²+y₀ ²)/4，求出a或b中的另一个；

最后根据所述α、a和b，确定二次双曲面2的表面方程为：

$\begin{array}{c}\frac{{[\cos \mathrm{\α}(z-f+c\cos \mathrm{\α})-\sin \mathrm{\α}(y-c\sin \mathrm{\α})]}^2}{a^2}-\\ \frac{x^2+{[\cos \mathrm{\α}(i-c\sin \mathrm{\α})+\sin \mathrm{\α}(z-f+c\cos )]}^2}{b^2}=1\end{array}$

其中，f为一次抛物面1的焦距，a为二次双曲面实半轴长度，b为二次双曲面虚半轴长度，在以一次抛物面1的顶点为原点，以光轴为z轴的xyz直角坐标系下，一次抛物面1的方程为：

所述二次双曲面2的表面方程即为二次双曲面2的结构参数。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的基于卡塞格林反射原理的旋转式太阳能聚光方法的进一步限定，步骤三中，根据步骤二求取的二次双曲面2的结构参数，在保证旋转卡塞格林聚集系统中二次双曲面2能接收到所述焦点的所有聚集光线的条件下，基于几何光学原理求解所述二次双曲面2绕一次抛物面1旋转角度的最大值的方法为：

根据下式求得二次双曲面2绕一次抛物面1逆时针旋转角度α的最大值α_max：

$\begin{array}{c}{P}^2(\frac{{\cos }^2{\mathrm{\α}}_{\max }}{a^2}-\frac{\mathrm{si}{n}^2{\mathrm{\α}}_{\max }}{b^2})+Q^2(\frac{{\sin }^2{\mathrm{\α}}_{\max }}{a^2}-\frac{{\cos }^2{\mathrm{\α}}_{\max }}{b^2})+\\ 2\sin {\mathrm{\α}}_{\max }\cos {\mathrm{\α}}_{\max }\mathrm{PQ}(\frac{1}{a^2}+\frac{1}{b^2})=1\end{array}$

其中，Q=P_r+csinα，P_r为有效聚光半径，P_r=f/2N，N为焦比值(f-number)。

在其它参数不变时，α_max随抛物面焦距f、双曲面虚半轴b的增加而减小，随双曲面实半轴a的增加而增加。在不影响聚集性能的情况下，应尽量选取焦距小、焦比大一些的碟式抛物面作为一次抛物面1，而二次双曲面2的参数选择需综合考虑接收面3的摆放位置和旋转角度。由于结构参数限制，所得出的旋转角度α不得高于最大可旋转角度α_max。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于卡塞格林反射原理的旋转式太阳能聚光方法的进一步限定，所述二次双曲面2绕一次抛物面1旋转角度的最大值α_max为70度。

具体实施方式五：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述的基于卡塞格林反射原理的旋转式太阳能聚光方法，它包括如下步骤步骤一：建立旋转格里聚集系统：

设置二次半椭球凹面4与一次抛物面1共享一个焦点，将接收面3布置在二次半椭球凹面4的共轭焦点处，所述一次抛物面1的焦比值需大于等于0.25；

步骤二：将旋转卡塞格林聚集系统的二次半椭球凹面4绕所述一次抛物面1旋转，再根据接收面3需要设定的位置求取二次半椭球凹面4的结构参数；

步骤三：根据步骤二求取的二次半椭球凹面4的结构参数，在保证旋转卡塞格林聚集系统中二次半椭球凹面4能接收到所述焦点的所有聚集光线的条件下，基于几何光学原理求解所述二次半椭球凹面4绕一次抛物面1旋转角度的最大值；

步骤四：在步骤三确定的二次半椭球凹面4旋转角度的最大值的范围内，同时调节旋转卡塞格林聚集系统的接收面和二次半椭球凹面4，使旋转卡塞格林聚集系统的接受面能实时接收聚集能流。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的基于卡塞格林反射原理的旋转式太阳能聚光方法的进一步限定，步骤二中，将旋转卡塞格林聚集系统的二次半椭球凹面4绕所述一次抛物面1旋转，再根据接收面3需要设定的位置求取二次半椭球凹面4的结构参数的方法为：

首先，根据接收面3的中心位置坐标为(x₁,y₁)，求取二次半椭球凹面4绕所述一次抛物面1旋转角度为β，所述β=arctan(x₁/(f-y₁))；

然后，根据实际需要的二次半椭球凹面4的a或b中的一个；

再根据a²-b²=(x₁ ²+y₁ ²)/4确定二次半椭球凹面4的a或b中的另一个；

最后根据所述α、a和b，确定二次半椭球凹面4的表面方程为：

$\begin{array}{c}\frac{x^2+{[\cos \mathrm{\β}(y-c\sin \mathrm{\β})+\sin \mathrm{\β}(z-f+c\cos \mathrm{\β})]}^2}{b^2}+\\ \frac{{[\cos \mathrm{\β}(z-f+c\cos \mathrm{\β})-\sin \mathrm{\β}(y-c\sin \mathrm{\β})]}^2}{a^2}=1\end{array}$

式中，f为一次抛物面1的焦距，a为二次半椭球凹面实半轴长度，b为二次半椭球凹面虚半轴长度，在以一次抛物面1的顶点为原点，以光轴为z轴的xyz直角坐标系下，一次抛物面1的方程为：

所述二次半椭球凹面4的表面方程中的参数即为二次半椭球凹面4的结构参数。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六所述的基于卡塞格林反射原理的旋转式太阳能聚光方法的进一步限定，步骤三中，根据步骤二求取的二次半椭球凹面4的结构参数，在保证旋转卡塞格林聚集系统中二次半椭球凹面4能接收到所述焦点的所有聚集光线的条件下，基于几何光学原理求解所述二次半椭球凹面4绕一次抛物面1旋转角度的最大值的方法为：

根据下式求得二次半椭球凹面4绕一次抛物面1旋转角度β的最大值β_max：

$\begin{array}{c}\frac{{[c\sin {\mathrm{\β}}_{\max }\cos {\mathrm{\β}}_{\max }+\sin {\mathrm{\β}}_{\max }(2c{\sin \mathrm{\β}}_{\max }\frac{{4f}^2-{P_r}^2}{{4\mathrm{fP}}_r}+c\cos {\mathrm{\β}}_{\max })]}^2}{b^2}+\\ \frac{{[\cos {\mathrm{\β}}_{\max }(2c\sin {\mathrm{\β}}_{\max }\frac{{4f}^2-{P_r}^2}{4f{P}_r}+c{\cos \mathrm{\β}}_{\max })-{c\sin }^2{\mathrm{\β}}_{\max }]}^2}{a^2}=1\end{array}$

其中，P_r为有效聚光半径，P_r=f/2N，N为焦比值(f-number)。

旋转角度最大值β_max随焦比N的增加而增加，N>5以后随着焦比的增加β_max增长很小，可无限趋近于180°；N=0.25时，β_max≡90°；焦比N不变的情况下，β_max随二次半椭球凹面4的半轴a的增加而略微降低、随短半轴b的增加而略微提高，但变化都不明显，因此二次半椭球凹面4尺寸的选择在满足接收面3位置的情况下视加工方便而定。由于结构参数限制，所得出的旋转角度β不得高于最大可旋转角度β_max。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式六所述的基于卡塞格林反射原理的旋转式太阳能聚光方法的进一步限定，所述二次半椭球凹面4绕一次抛物面1旋转角度的最大值β_max为180度。

具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式六所述的基于卡塞格林反射原理的旋转式太阳能聚光方法的进一步限定，所述一次抛物面1为碟式抛物面或偏轴抛物面。

Claims (5)

1.基于卡塞格林反射原理的旋转式太阳能聚光方法，其特征是在于，它包括如下步骤：

步骤一：建立旋转卡塞格林聚集系统：

设置二次双曲面(2)与一次抛物面(1)共享一个焦点，将接收面(3)布置在二次双曲面(2)的共轭焦点处，所述一次抛物面(1)的焦比值需小于等于0.25；

步骤二：将旋转卡塞格林聚集系统的二次双曲面(2)绕所述一次抛物面(1)旋转，再根据接收面(3)需要设定的位置求取二次双曲面(2)的结构参数；

步骤三：根据步骤二求取的二次双曲面(2)的结构参数，在保证旋转卡塞格林聚集系统中二次双曲面(2)能接收到所述焦点的所有聚集光线的条件下，基于几何光学原理求解所述二次双曲面(2)绕一次抛物面(1)旋转角度的最大值；

步骤四：在步骤三确定的二次双曲面(2)旋转角度的最大值的范围内，同时调节旋转卡塞格林聚集系统的接收面(3)和二次双曲面(2)，使旋转卡塞格林聚集系统的接受面能实时接收聚集能流；

步骤二中，将旋转卡塞格林聚集系统的二次双曲面(2)绕所述一次抛物面(1)旋转，再根据接收面(3)需要设定的位置求取二次双曲面(2)的结构参数的方法为：

首先，根据接收面(3)的中心位置坐标为(x₀,y₀)，求取二次双曲面(2)绕所述一次抛物面(1)旋转角度为α，所述α＝arctan(x₀/(f-y₀))；

然后，根据实际需要确定二次双曲面(2)的a或b中的一个；

再根据a²+b²＝(x₀ ²+y₀ ²)/4，求出a或b中的另一个；

最后根据所述α、a和b，确定二次双曲面(2)的表面方程为：

$\begin{array}{c}\frac{{\[\cos \mathrm{\α}(z-f+c\cos \mathrm{\α})-\sin \mathrm{\α}(y-c\sin \mathrm{\α})\]}^2}{a^2}-\\ \frac{x^2+{\[\cos \mathrm{\α}(y-c\sin \mathrm{\α})+\sin \mathrm{\α}(z-f+c\cos \mathrm{\α})\]}^2}{b^2}=1\end{array}$

其中，f为一次抛物面(1)的焦距，a为二次双曲面实半轴长度，b为二次双曲面虚半轴长度，在以一次抛物面(1)的顶点为原点，以光轴为z轴的xyz直角坐标系下，一次抛物面(1)的方程为：

所述二次双曲面(2)的表面方程即为二次双曲面(2)的结构参数；

步骤三中，根据步骤二求取的二次双曲面(2)的结构参数，在保证旋转卡塞格林聚集系统中二次双曲面(2)能接收到所述焦点的所有聚集光线的条件下，基于几何光学原理求解所述二次双曲面(2)绕一次抛物面(1)旋转角度的最大值的方法为：

根据下式求得二次双曲面(2)绕一次抛物面(1)旋转角度α的最大值α_max：

$\begin{array}{c}{P}^2(\frac{{\cos }^2{\mathrm{\α}}_{max}}{a^2}-\frac{{\sin }^2{\mathrm{\α}}_{max}}{b^2})+Q^2(\frac{{\sin }^2{\mathrm{\α}}_{max}}{a^2}-\frac{{\cos }^2{\mathrm{\α}}_{max}}{b^2})+\\ 2{\mathrm{sin\α}}_{\max }{\mathrm{cos\α}}_{\max }PQ(\frac{1}{a^2}+\frac{1}{b^2})=1\end{array}$

其中，Q＝P_r+csinα，P_r为有效聚光半径，P_r＝f/2N，N为焦比值(f-number)。

2.根据权利要求1所述的基于卡塞格林反射原理的旋转式太阳能聚光方法，其特征在于，所述二次双曲面(2)绕一次抛物面(1)旋转角度的最大值α_max为70度。

3.基于卡塞格林反射原理的旋转式太阳能聚光方法，其特征是在于，它包括如下步骤：

步骤一：建立旋转格里聚集系统：

设置二次半椭球凹面(4)与一次抛物面(1)共享一个焦点，将接收面(3)布置在二次半椭球凹面(4)的共轭焦点处，所述一次抛物面(1)的焦比值需大于等于0.25；

步骤二：将旋转卡塞格林聚集系统的二次半椭球凹面(4)绕所述一次抛物面(1)旋转，再根据接收面(3)需要设定的位置求取二次半椭球凹面(4)的结构参数；

步骤三：根据步骤二求取的二次半椭球凹面(4)的结构参数，在保证旋转卡塞格林聚集系统中二次半椭球凹面(4)能接收到所述焦点的所有聚集光线的条件下，基于几何光学原理求解所述二次半椭球凹面(4)绕一次抛物面(1)旋转角度的最大值；

步骤四：在步骤三确定的二次半椭球凹面(4)旋转角度的最大值的范围内，同时调节旋转卡塞格林聚集系统的接收面和二次半椭球凹面(4)，使旋转卡塞格林聚集系统的接受面能实时接收聚集能流；

步骤二中，将旋转卡塞格林聚集系统的二次半椭球凹面(4)绕所述一次抛物面(1)旋转，再根据接收面(3)需要设定的位置求取二次半椭球凹面(4)的结构参数的方法为：

首先，根据接收面(3)的中心位置坐标为(x₁,y₁)，求取二次半椭球凹面(4)绕所述一次抛物面(1)旋转角度为β，所述β＝arctan(x₁/(f-y₁))；

然后，根据实际需要的二次半椭球凹面(4)的a或b中的一个；再根据a²-b²＝(x₁ ²+y₁ ²)/4确定二次半椭球凹面(4)的a或b中的另一个；最后根据β、a和b，确定二次半椭球凹面(4)的表面方程为：

$\begin{array}{c}\frac{x^2+{\[\cos \mathrm{\β}(y-c\sin \mathrm{\β})+\sin \mathrm{\β}(z-f+c\cos \mathrm{\β})\]}^2}{b^2}+\\ \frac{{\[\cos \mathrm{\β}(z-f+c\cos \mathrm{\β})-\sin \mathrm{\β}(y-c\sin \mathrm{\β})\]}^2}{a^2}=1\end{array}$

式中，f为一次抛物面(1)的焦距，a为二次半椭球凹面实半轴长度，b为二次半椭球凹面虚半轴长度，在以一次抛物面(1)的顶点为原点，以光轴为z轴的xyz直角坐标系下，一次抛物面(1)的方程为：

所述二次半椭球凹面(4)的表面方程中的参数即为二次半椭球凹面(4)的结构参数；

步骤三中，根据步骤二求取的二次半椭球凹面(4)的结构参数，在保证旋转卡塞格林聚集系统中二次半椭球凹面(4)能接收到所述焦点的所有聚集光线的条件下，基于几何光学原理求解所述二次半椭球凹面(4)绕一次抛物面(1)旋转角度的最大值的方法为：

根据下式求得二次半椭球凹面(4)绕一次抛物面(1)旋转角度β的最大值β_max：

$\begin{array}{c}\frac{{\[{\mathrm{csin\β}}_{\max }{\mathrm{cos\β}}_{\max }+{\mathrm{sin\β}}_{\max }(2{\mathrm{csin\β}}_{\max }\frac{4f^2-{P_r}^2}{4{\mathrm{fP}}_r}+{\mathrm{ccos\β}}_{\max })\]}^2}{b^2}+\\ \frac{{\[{\mathrm{cos\β}}_{\max }(2{\mathrm{csin\β}}_{\max }\frac{4f^2-{P_r}^2}{4{\mathrm{fP}}_r}+{\mathrm{ccos\β}}_{\max })-{\mathrm{csin}}^2{\mathrm{\β}}_{\max }\]}^2}{a^2}=1\end{array}$

其中，P_r为有效聚光半径，P_r＝f/2N，N为焦比值(f-number)。

4.根据权利要求3所述的基于卡塞格林反射原理的旋转式太阳能聚光方法，其特征在于，所述二次半椭球凹面(4)绕一次抛物面(1)旋转角度的最大值β_max为180度。

5.根据权利要求1或3所述的基于卡塞格林反射原理的旋转式太阳能聚光方法，其特征在于，所述一次抛物面(1)为碟式抛物面或偏轴抛物面。