CN103792651A - 线光源聚光器 - Google Patents

Abstract

一种线光源聚光器，它的几何形状是光入射端口和光出射端口为长度相同的矩形框架、左侧壁和右侧壁内表面为双曲柱面、前后侧壁为平面的柱状体，光入射端口和光出射端口与线聚光透镜的中心线垂直，光出射口的宽度d为10～50cm，光入射口的宽度D为5～15d，侧壁内表面镀有反射膜。垂直入射于光入射端口的光线由光出射端口射出，其它光线入射到双曲面上发生反射，作为下一个反射点的入射光入射到靠近光出射端口的反光双曲面上，光线以折线形式传输到光出射端口，所有反射光方向在光出射端口趋于一致，并以小的发散角由光出射端口射出。本发明具有结构简单、成型容易、体积小、成本低、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

线光源聚光器

技术领域

本发明属于太阳能聚光器技术领域，具体涉及线光源聚光器。

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，因此聚光倍数仅在几倍之内，不可能更高。

还有一种聚光器的聚光面是利用复合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，抛物面可以将光能聚集于抛物面内的一点，并不能在其光漏斗光出出射端口射出的光能集中且发散角较小的光，如其图3所示。因此复合抛物面结构的聚光器更适合于太阳能的热聚集。同时由于旋转抛物面的结构特征决定，其光入射端口与光出射端口的面积比（决定了聚光倍数）不可能很大，因此其用于太阳能电池的聚光效率仍然较小。另外，将大面积的面光源转换为小宽度的线光源，在太阳能采暖和对管道内流体加热等方面有广泛需求，目前具备这一功能的只有矩形菲涅尔聚光透镜聚光器，但其加工制造成本高、占用的空间大，在使用上具有一定的局限性。

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、聚光效果好的线光源聚光器。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：它的几何形状是光入射端口和光出射端口为长度相同的矩形框架、左侧壁和右侧壁内表面为双曲柱面、前侧壁和后侧壁为平面的柱状体，光出射口的宽度d为10～50cm，光入射口的宽度D为5～15d，光入射端口和光出射端口所在平面与线光源聚光器的宽度中心平面垂直，侧壁内表面有反射膜。

本发明的双曲柱面是以直角坐标系中的方程

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

为母线，方程以光出射端口的宽度及其延长线为x轴，x为线光源聚光器内腔的半宽度变量，d/2≤︱x︱≤D/2，线光源聚光器的宽度中心平面与前侧壁或后侧壁的交线为y轴，y为线光源聚光器内腔半宽度变量x所对应的线光源聚光器高度，y≥0，D为光的入射端口的宽度，d为光出射端口的宽度，n为1～2。

本发明的左侧壁与右侧壁是关于宽度中心平面相对称的双曲柱面。

本发明的光入射端口所在的平面与光出射端口所在的平面相互平行，前侧壁与后侧壁相互平行且与光入射端口所在的平面垂直。

由于本发明采用左侧面和右侧面为双曲面，在侧壁内表面镀有反射膜，垂直入射于光入射端口的光线中，以光出射端口为截面范围内的光线经线光源聚光器，由光出射端口射出，其它光线入射到线光源聚光器侧壁双曲面上发生反射，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反光双曲面上，光线以折线形式传输到光出射端口，所有反射光的方向在光出射端口趋于一致，并以小的发散角由光出射端口射出，实现了面光源向线光源的聚集转换。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。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是图1的左视图。

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

以光出射端口宽度d为30cm、入射端口宽度D等于10d为例，线光源聚光器的结构如下：

在图1中，本实施例的线光源聚光器的几何形状是：光入射端口和光出射端口为矩形框架结构、左侧壁和右侧壁内表面为双曲柱面、前侧壁和后侧壁为平面的柱状体，侧壁内表面有铝反射膜，光入射端口所在的平面与光出射端口所在的平面相互平行，光入射端口和光出射端口所在平面与线光源聚光器的宽度中心平面垂直，光入射端口和光出射端口长度相同，光出射口的宽度d为30cm，光入射口的宽度D为300cm，即D等于10d。前侧壁与后侧壁相互平行且与光入射端口所在的平面垂直。左侧壁与右侧壁是关于宽度中心平面相对称的双曲柱面。

上述的双曲柱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，方程以光出射端口的宽度及其延长线为x轴，x为线光源聚光器内腔的半宽度变量，d/2≤︱x︱≤D/2，线光源聚光器的宽度中心平面与前侧壁或后侧壁的交线为y轴，y为线光源聚光器内腔半宽度变量x所对应的线光源聚光器高度，y≥0，D为光的入射端口的宽度，d为光出射端口的宽度内径，n为1.5。

实施例2

以光出射端口宽度d为30cm、入射端口宽度D等于5d为例，线光源聚光器的结构如下：

本实施例的线光源聚光器的几何形状是：光入射端口和光出射端口为矩形框架结构、左侧壁和右侧壁内表面为双曲柱面、前后侧壁为平面的柱状体，侧壁内表面有铝反射膜，光入射端口所在的平面与光出射端口所在的平面相互平行，光入射端口和光出射端口所在平面与线光源聚光器的宽度中心平面垂直，光入射端口和光出射端口长度相同，光出射口的宽度d为30cm，光的入射口的宽度D为150cm，即D等于5d。前侧壁与后侧壁相互平行且与光入射端口所在的平面垂直。

左侧壁和右侧壁内表面双曲柱面是以直角坐标系中双曲线方程为母线，双曲线方程与实施例1的双曲线方程（1）相同，左侧壁与右侧壁是关于宽度中心平面相对称的双曲柱面。

实施例3

以光出射端口宽度d为30cm、入射端口宽度D等于15d为例，线光源聚光器的结构如下：

本实施例的线光源聚光器的几何形状是：光入射端口和光出射端口为矩形框架结构、左侧壁和右侧壁内表面为双曲柱面、前后侧壁为平面的柱状体，侧壁内表面有铝反射膜，光入射端口所在的平面与光出射端口所在的平面相互平行，光入射端口和光出射端口所在平面与线光源聚光器的宽度中心平面垂直，光入射端口和光出射端口长度相同，光出射口的宽度d为30cm，光的入射口的宽度D为450cm，即D等于15d。前侧壁与后侧壁相互平行且与光入射端口所在的平面垂直。

左侧壁和右侧壁内表面双曲柱面是以直角坐标系中双曲线方程为母线，双曲线方程与实施例1的双曲线方程（1）相同，左侧壁与右侧壁是关于宽度中心平面相对称的双曲柱面。左侧壁与右侧壁是关于宽度中心平面相对称的双曲柱面。

实施例4

以光出射端口宽度d为10cm为例，线光源聚光器的结构如下：

在以上的实施例1～3中，线光源聚光器的几何形状是，光入射端口和光出射端口为矩形框架结构、左侧壁和右侧壁内表面为双曲柱面、前后侧壁为平面的柱状体，侧壁内表面有铝反射膜，光入射端口所在的平面与光出射端口所在的平面相互平行，光入射端口和光出射端口所在平面与线光源聚光器的宽度中心平面垂直，光出射端口宽度d为10cm，D与d的比值与相应的实施例相同。前侧壁与后侧壁相互平行且与光入射端口所在的平面垂直。

左侧壁和右侧壁内表面双曲柱面是以直角坐标系中双曲线方程为母线，双曲线方程与实施例1的双曲线方程（1）相同，左侧壁与右侧壁是关于宽度中心平面相对称的双曲柱面。左侧壁与右侧壁是关于宽度中心平面相对称的双曲柱面。

实施例5

以光出射端口宽度d为50cm为例，线光源聚光器的结构如下：

在以上的实施例1～3中，线光源聚光器的几何形状是，光入射端口和光出射端口为矩形框架结构、左侧壁和右侧壁为双曲柱面、前侧壁和后侧壁后侧面为平面的柱状体，侧壁内表面镀有铝反射膜，光入射端口所在的平面与光出射端口所在的平面相互平行，光入射端口和光出射端口与线聚光透镜的中心线垂直，光出射端口宽度d为10cm，D与d的比值与相应的实施例相同。前侧壁与后侧壁相互平行且与光入射端口所在的平面垂直。

左侧壁和右侧壁内表面双曲柱面是以直角坐标系中双曲线方程为母线，双曲线方程与实施例1的双曲线方程（1）相同，左侧壁与右侧壁是关于宽度中心平面相对称的双曲柱面。左侧壁与右侧壁是关于宽度中心平面相对称的双曲柱面。

实施例6

在以上的实施例1～5中，线光源聚光器的几何形状是，光入射端口和光出射端口为矩形框架结构、左侧壁和右侧壁为双曲柱面、前侧壁和后侧壁后侧面为平面的柱状体，侧壁内表面镀有反射膜，光入射端口所在的平面与光出射端口所在的平面相互平行，光入射端口和光出射端口与线聚光透镜的中心线垂直，光出射端口宽度d与相应的实施例相同，D与d的比值与相应的实施例相同。前侧壁与后侧壁相互平行且与光入射端口所在的平面垂直。

左侧壁和右侧壁内表面双曲柱面是以直角坐标系中双曲线方程为母线，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，除参数中n为1，其它参数与实施例1的双曲线方程（1）的参数相同。左侧壁与右侧壁是关于宽度中心平面相对称的双曲柱面。

实施例7

在以上的实施例1～5中，线光源聚光器的几何形状是，光入射端口和光出射端口为矩形框架结构、左侧壁和右侧壁为双曲柱面、前侧壁和后侧壁后侧面为平面的柱状体，侧壁内表面镀有铝反射膜，光入射端口所在的平面与光出射端口所在的平面相互平行，光入射端口和光出射端口与线聚光透镜的中心线垂直，光出射端口宽度d与相应的实施例相同，D与d的比值与相应的实施例相同。前侧壁与后侧壁相互平行且与光入射端口所在的平面垂直。

左侧壁和右侧壁内表面双曲柱面是以直角坐标系中双曲线方程为母线，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，除参数中n为2，其它参数与实施例1的双曲线方程（1）的参数相同。左侧壁与右侧壁是关于宽度中心平面相对称的双曲柱面。

本发明的工作原理如下：

垂直入射于光入射端口的光线中，以线光源聚光器厚度中心面为对称、光出射端口为截面范围内的光线沿厚度中心面直行通过线光源聚光器，由光出射端口射出，其它光线入射到线光源聚光器侧壁双曲面上发生反射，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反光双曲面上，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反光双曲面的法线与其厚度中心面的夹角逐渐增大到900，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出射端口趋于一致，并以小的发散角由光出射端口射出，实现了面光源向线光源的聚集转换。

Claims (4)

1.一种线光源聚光器，其特征在于：它的几何形状是光入射端口和光出射端口为长度相同的矩形框架、左侧壁和右侧壁内表面为双曲柱面、前侧壁和后侧壁为平面的柱状体，光出射口的宽度d为10～50cm，光入射口的宽度D为5～15d，光入射端口和光出射端口所在平面与线光源聚光器的宽度中心平面垂直，侧壁内表面有反射膜。

2.根据权利要求1所述的线光源聚光器，其特征在于：所述的双曲柱面是以直角坐标系中的方程

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

为母线，方程以光出射端口的宽度及其延长线为x轴，x为线光源聚光器内腔的半宽度变量，d/2≤︱x︱≤D/2，线光源聚光器的宽度中心平面与前侧壁或后侧壁的交线为y轴，y为线光源聚光器内腔半宽度变量x所对应的线光源聚光器高度，y≥0，D为光的入射端口的宽度，d为光出射端口的宽度，n为1～2。

3.根据权利要求1所述的线光源聚光器，其特征在于：所述的左侧壁与右侧壁是关于宽度中心平面相对称的双曲柱面。

4.根据权利要求1所述的线光源聚光器，其特征在于：所述的光入射端口所在的平面与光出射端口所在的平面相互平行，前侧壁与后侧壁相互平行且与光入射端口所在的平面垂直。

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