CN103792650A - 漏斗状光能流密度倍增器 - Google Patents

Abstract

一种漏斗状光能流密度倍增器，其形状为以其中心线旋转对称的漏斗形状，侧壁内表面有反射膜，侧壁内表面的形状为一条曲线绕其中心线旋转形成的回转曲面，侧壁内表面的几何形状为双曲旋转曲面。垂直入射于光入射端口所在平面的光线中，以中心线为中心轴、光出射端口范围内的光线沿中心线直行，由光出射端口射出，其它入射到侧壁双曲面上的光线发生反射，反射光又作为下一个反射点的入射光入射到更靠近光出射端口的侧壁双曲面上，光线以折线形式传输到光出射口射出，实现了光的聚集。本发明具有结构简单、成型容易、体积小、成本低、使用方便、聚光效率高等优点，可用于太阳能聚光，也可用于其它光源聚光。

Description

漏斗状光能流密度倍增器

技术领域

本发明属于太阳能聚光器技术领域，具体涉及一种漏斗状光能流密度倍增器。

背景技术

在太阳能的利用中，受目前各种能量转换器件（太阳能电池、热水器等）转换效率的限制，使太阳能的利用效率难以达到理想要求，因此聚光器的使用成了提高各种太阳能转换与利用装置工作效率的有效手段。目前已有多种类型的太阳能聚光器，除传统的球面聚光透镜聚光器和菲涅尔聚光透镜聚光器外，近年来出现了多种光漏斗式聚光器，其中使用较多的聚光器的聚光面是多个平板状反光板合围构成的倒棱台状，如中国发明专利“使同光漏斗实现数倍聚光的太阳能光伏电池发电装置（CN1780136B）”中的图3所示的光漏斗，这种光漏斗虽然可以将一定范围的太阳光聚集到设置在底部的太阳能电池上，但其光漏斗进光口的大小与太阳能电池的面积比（决定了聚光倍数）受到其图3中φ角的制约，因此聚光倍数无法达到更高。还有一种聚光器是利用复合旋转抛物面的内表面反射聚光，如中国发明专利“光漏斗聚光光伏发电及风力发电复合装置（CN101630856B）”中的光漏斗，但众所周知，旋转抛物面可以将光能高效地聚集于抛物面合围的空间内一点，并不能在其光漏斗下端的出光口射出光能集中且发散角较小的光，如其图3所示。因此复合抛物面聚光器适合于太阳能的热聚集，并不适合用于光聚集。同时由于旋转抛物面的结构特征决定，其进光口与出光口的面积比（决定了聚光倍数）无法达到很大，因此其用于太阳能电池的聚光效率仍然较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、制造容易、产品成本低、聚光效果好的漏斗状光能流密度倍增器。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：它的侧壁内表面的几何形状为双曲旋转曲面。

本发明的双曲旋转曲面是以直角坐标系中双曲线方程

$\frac{{4x}^2}{d}-\frac{y^2}{{\left(\mathrm{nd}\right)}^2}=1---\left(1\right)$

为母线，以y轴为中心轴，旋转形成的旋转双曲面，方程（1）以漏斗式光能流密度倍增器光出射端口的内径及其延长线为x轴，中心线为y轴，x为漏斗式光能流密度倍增器的半径变量，d/2≤︱x︱≤D/2，y为与半径变量x所对应的漏斗式光能流密度倍增器的高度，y≥0，n为1～2，光出射端口内径d为10～50cm，光的入射端口的内径D为5～15d。

由于本发明侧壁内表面的几何形状采用双曲旋转曲面，垂直入射于光入射端口所在平面的光线中，以中心线为中心轴、光出射端口为截面范围内的光线沿中心线直行，由光的出射端口射出，其它入射到侧壁双曲面反射膜上的光线发生反射，反射光又作为下一个反射点的入射光入射到更靠近光的出射端口的侧壁双曲面上，光线以折线形式传输到光出射端口射出。由于从光入射端口到光出射端口间双曲反光面的法线与中心线的夹角逐渐增大到90°，同一束光在折线传输过程中的反射角逐次加大，所有反射光的方向在光的出射端口趋于一致，以小发散角由光出射端口射出，实现了光的聚集。本发明与现有的光漏斗相比，具有结构简单、成型容易、体积小、成本低、使用方便、聚光效率高等优点，可用于太阳能聚光，也可用于其它光源聚光。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

以光出射端口内径d为30cm、入射端口内径D等于10d为例，漏斗状光能流密度倍增器的结构如下：

在图1中，本实施例的漏斗状光能流密度倍增器的几何形状是漏斗形，光出射端口内径d为30cm、光入射端口内径D等于10d，侧壁内表面的几何形状为双曲旋转曲面，双曲旋转曲面是以直角坐标系中双曲线方程

$\frac{4x^2}{d}-\frac{y^2}{{\left(\mathrm{nd}\right)}^2}=1---\left(1\right)$

为母线，以y轴为中心轴，旋转形成的旋转双曲面，方程（1）以漏斗式光能流密度倍增器光出射端口的内径及其延长线为x轴，中心线为y轴，x为漏斗式光能流密度倍增器的半径变量，d/2≤︱x︱≤D/2，y为与半径变量x所对应的漏斗式光能流密度倍增器的高度，y≥0，n为1.5，光出射端口内径d为30cm，光的入射端口的内径D为10d。在侧面的内表面上有铝反射膜。

实施例2

以光出射端口内径d为30cm、入射端口内径D等于5d为例，漏斗状光能流密度倍增器的结构如下：

本实施例的漏斗状光能流密度倍增器的几何形状是漏斗形，光出射端口内径d为30cm、光入射端口内径D等于5d，侧壁内表面的几何形状为双曲旋转曲面，双曲旋转曲面是以直角坐标系中双曲线方程为母线，以y轴为中心轴，旋转形成的旋转双曲面，双曲线方程与实施例1的双曲线方程（1）相同。漏斗状光能流密度倍增器的侧壁内表面有铝反射膜。

实施例3

以光出射端口内径d为30cm、入射端口内径D等于15d为例，漏斗状光能流密度倍增器的结构如下：

本实施例的漏斗状光能流密度倍增器的几何形状是漏斗形，光出射端口内径d为30cm、光入射端口内径D等于15d，侧壁内表面的几何形状为双曲旋转曲面，双曲旋转曲面是以直角坐标系中双曲线方程为母线，以y轴为中心轴，旋转形成的旋转双曲面，以漏斗状光能流密度倍增器的中心线为旋转轴，旋转形成的旋转曲面，双曲线方程与实施例1的双曲线方程（1）相同。漏斗状光能流密度倍增器的侧壁内表面有铝反射膜。

实施例4

以光出射端口内径d为10cm为例，漏斗状光能流密度倍增器的结构如下：

在以上的实施例1～3中，漏斗状光能流密度倍增器的几何形状是漏斗形，光出射端口内径d为10cm、光入射端口内径D与相应的实施例相同。侧壁内表面的几何形状为双曲旋转曲面，双曲旋转曲面是以直角坐标系中双曲线方程为母线，以y轴为中心轴，旋转形成的旋转双曲面，双曲线方程与实施例1的双曲线方程（1）相同。漏斗状光能流密度倍增器的侧壁内表面有铝反射膜。

实施例5

以光出射端口内径d为50cm为例，漏斗状光能流密度倍增器的结构如下：

在以上的实施例1～3中，漏斗状光能流密度倍增器的几何形状是漏斗形，光出射端口内径d为50cm、光入射端口内径D与相应的实施例相同。侧壁内表面的几何形状为双曲旋转曲面，双曲旋转曲面是以直角坐标系中双曲线方程为母线，以y轴为中心轴，旋转形成的旋转双曲面，双曲线方程与实施例1的双曲线方程（1）相同。漏斗状光能流密度倍增器的侧壁内表面有铝反射膜。

实施例6

在以上的实施例1～5中，漏斗状光能流密度倍增器的几何形状是漏斗形，光出射端口内径d和光入射端口内径D与相应的实施例相同。侧壁内表面的几何形状为双曲旋转曲面，双曲旋转曲面是以直角坐标系中双曲线方程为母线，以y轴为中心轴，旋转形成的旋转双曲面，双曲线方程与实施例1的双曲线方程（1）相同，在双曲线方程（1）中，参数中n为1，其它参数与实施例1相同。漏斗状光能流密度倍增器的侧壁内表面有铝反射膜。

实施例7

在以上的实施例1～5中，漏斗状光能流密度倍增器的几何形状是漏斗形，光出射端口内径d和光入射端口内径D与相应的实施例相同。侧壁内表面的几何形状为双曲旋转曲面，双曲旋转曲面是以直角坐标系中双曲线方程为母线，以y轴为中心轴，旋转形成的旋转双曲面，双曲线方程与实施例1的双曲线方程（1）相同，在双曲线方程（1）中，参数中n为2，其它参数与实施例1相同。漏斗状光能流密度倍增器的侧壁内表面有铝反射膜。

本发明的工作原理如下：

垂直入射于光入射端口的光线中，以漏斗状光能流密度倍增器的中心线为中心轴、光的出射端口为截面范围内的光线沿中心线直行通过漏斗状光能流密度倍增器，由光出射端口射出，其它入射到侧壁双曲面的反射膜上的光线发生反射，反射光又作为下一个反射点的入射光入射到更靠近光的出射端口的侧壁双曲面上，光线以折线形式传输到光的出射端口射出，由于从光的入射端口到光的出射端口间双曲反光面的法线与中心线的夹角逐渐增大到90°，同一束光在折线传输过程中的反射角逐次加大，所有反射光的方向在光的出射端口（y为0处）趋于一致，并以小的发散角由光的出射端口射出，实现了光的聚集。

Claims (2)

1.一种漏斗状光能流密度倍增器，其形状为以其中心线旋转对称的漏斗形状，侧壁内表面有反射膜，侧壁内表面的形状为一条曲线绕其中心线旋转形成的回转曲面，其特征在于：侧壁内表面的几何形状为双曲旋转曲面。

2.根据权利要求1所述的漏斗状光能流密度倍增器，其特征在于：所述的双曲旋转曲面是以直角坐标系中双曲线方程

$\frac{4x^2}{d}-\frac{y^2}{{\left(\mathrm{nd}\right)}^2}=1---\left(1\right)$

为母线，以y轴为中心轴，旋转形成的旋转双曲面，方程（1）以漏斗式光能流密度倍增器光出射端口的内径及其延长线为x轴，中心线为y轴，x为漏斗式光能流密度倍增器的半径变量，d/2≤︱x︱≤D/2，y为与半径变量x所对应的漏斗式光能流密度倍增器的高度，y≥0，n为1～2，光出射端口内径d为10～50cm，光的入射端口的内径D为5～15d。

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