CN103941394A - 一种平板接收型复合抛物面聚光器的截取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平板接收型复合抛物面聚光器的截取方法，包括以下步骤，1）在CPC横切面建立xoy坐标系，设CPC由抛物线 组成，点B、点F在X轴上，且对称设置Y轴两侧，点G、点B在X轴上方；2）将光线MC平行于y轴射向抛物线经点C反射后，光线经过B点，然后与最佳均匀面B₁F₁交于A₁点；点C到X轴的距离为最大特征高度H_max；3）将光线M'C'平行于y轴射向抛物线经点C'反射后，与最佳均匀面B₁F₁交于A点；点C'到X轴的距离为最小特征高度H_min；4）将CPC上部进行截取，截取后CPC高度为d，d起始于X轴，沿Y轴向上，取值范围为：H_min≤d≤H_max。通过运用该截取方法截取的CPC，经济性好，聚光后的光强均匀度获得提高，能够应用于低倍聚光光伏以及光伏光热综合利用系统中。

Description

一种平板接收型复合抛物面聚光器的截取方法

技术领域

本发明涉及低倍太阳能聚光光伏以及光伏光热综合利用技术领域，涉及到线聚光且对称布置的平板接收型复合抛物面聚光器设计计算，尤其涉及一种平板接收型复合抛物面聚光器的截取方法。

背景技术

美国学者Winston根据最大聚光原理发明了复合抛物面聚光器（CPC，Compound Parabolic Concentrator），早期用于高能物理试验中做射线检测，1974年开始尝试用于太阳能技术。CPC是一种根据边缘光学原理设计的非成像聚光器，这种聚光器的特点是，在CPC接收角范围内，对任意给定的接收角，可得到热力学上最大可能的聚光比。平板接收型CPC，由左右对称的两片抛物面组成，平板接收体布置在底部，一般用于聚光比10以下。由于CPC的非成像特性，只需做间隙性的跟踪调节甚至是季节性的跟踪调节，无需连续跟踪或精确跟踪。当聚光比在3以下时，可以固定布置，无需跟踪调节。另外，CPC不但能够接收直接太阳辐射，还能很好的接收散射辐射。

将CPC应用于低倍聚光光伏以及光伏光热综合利用领域，可以很好利用以上指出的CPC优势，然而，随着CPC聚光比的增加，CPC的高度也将显著增加，这将导致CPC经济性显著下降，增加CPC安装难度，因此，根据CPC的特点，对其进行截取，常规截取CPC采用截取比在2/3～1/2之间，认为是理想的，此设计方法虽然考虑到了CPC经济性，但是未考虑CPC聚光后的光强均匀度，导致CPC无法较好的应用于低倍聚光光伏以及光伏光热综合利用领域。

发明内容

针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种平板接收型复合抛物面聚光器CPC的截取方法，利用该截取方法截取的CPC，经济性好，聚光后的光强均匀度也获得了提高，能够较好应用于低倍聚光光伏以及光伏光热综合利用系统中。

为了达到上述目的，本发明采取的截取方法为：

包括以下步骤：

1）在平板接收型复合抛物面聚光器CPC的横切面建立xoy坐标系，设CPC的横切面由抛物线 组成，其中，点B、点F在X轴上，且对称设置于Y轴两侧，点G、点I在X轴上方，则入射光孔宽度GI、出射光孔宽度抛物线焦距CPC高度H以及CPC最佳均匀面B₁F₁与出射光孔BF之间的距离均已确定，平板接收体或太阳光伏电池布置在B₁F₁上；

2）将光线MC平行于y轴射向抛物线经抛物线发生反射后，反射后光线经过B点后与最佳均匀面B₁F₁交于A₁点；其中，点C为光线MC在抛物线的反射点，光路M-C-B-A₁为发生二次反射导致破坏B₁F₁上光强均匀度的分界线，则以出射光孔BF为基准，点C到X轴的距离为最大特征高度H_max；

3）将光线M'C'平行于y轴射向抛物线经抛物线发生反射后，与最佳均匀面B₁F₁交于A点；其中，点A为最佳均匀面B₁F₁与Y轴的交点，光路M'-C'-A为在B₁F₁上出现未聚光区域导致破坏B₁F₁上光强均匀度的分界线，则以出射光孔BF为基准，点C'到X轴的距离为最小特征高度H_min；

4）将CPC上部进行截取，截取后CPC高度为d，d起始于为X轴，沿Y轴向上，d的取值范围为：H_min≤d≤H_max。

最大特征高度H_max的计算过程为：

首先，获取点C在xoy坐标系中的参数方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_C=(4\stackrel{\text{-}}{\mathrm{FF}\′}{t_C}^2-\stackrel{\‾}{\mathrm{FF}\′})\sin \mathrm{\θ}-4\stackrel{\‾}{\mathrm{FF}\′}{t}_C\cos \mathrm{\θ}+\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{FF}\′}}{1+\sin \mathrm{\θ}}\\ y_C=(4\stackrel{\‾}{\mathrm{FF}\′}{t_C}^2-\stackrel{\‾}{\mathrm{FF}\′})\cos \mathrm{\θ}+4\stackrel{\‾}{\mathrm{FF}\′}{t}_C\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

其中，t_C为参数方程组中的参数；

其次，计算最大特征高度H_max：

$\left\{\begin{array}{c}16({\sin }^2\mathrm{\θ}+\sin \mathrm{\θ}){t_c}^4+8({3\sin }^2\mathrm{\θ}+\sin \mathrm{\θ}-1){t_c}^2+(-16\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ})t_c+(-{3\sin }^2\mathrm{\θ}+\sin \mathrm{\θ}+2)=0\\ H_{\max }=(4\stackrel{\‾}{\mathrm{FF}\′}{t_C}^2-\stackrel{\‾}{\mathrm{FF}\′})\cos \mathrm{\θ}+4\stackrel{\‾}{\mathrm{FF}\′}{t}_C\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

其中，为抛物线的焦距，θ为采光半角；

最后，将t_C代回点C在xoy坐标系中的参数方程验算，满足x_C<0且y_C>0，则H_max为所求值。

最小特征高度H_min的计算过程为：

首先，获取点C'在xoy坐标系中的参数方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{C^{\&prime;}}=(4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t_{C^{\&prime;}}}^2-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;})\sin \mathrm{\&theta;}-4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t}_{C^{\&prime;}}\cos \mathrm{\&theta;}+\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}}{1+\sin \mathrm{\&theta;}}\\ y_{C^{\&prime;}}=(4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t_{C^{\&prime;}}}^2-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;})\cos \mathrm{\&theta;}+4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t}_{C^{\&prime;}}\sin \mathrm{\&theta;}\end{array}\right.$

其中，t_C'为参数方程组中的参数；

其次，计算最小特征高度H_min：

$\left\{\begin{array}{c}16({\sin }^2\mathrm{\&theta;}+\sin \mathrm{\&theta;}){t_{c^{\&prime;}}}^4+({32\sin }^2\mathrm{\&theta;}+8\sin \mathrm{\&theta;}-4){t_{c^{\&prime;}}}^2+8\sin \mathrm{\&theta;}\cos \mathrm{\&theta;}({\tan }^2\mathrm{\&theta;}-2)t_{c^{\&prime;}}+(-{5\sin }^2\mathrm{\&theta;}+\sin \mathrm{\&theta;}+1)=0\\ H_{\min }=(4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t_{C^{\&prime;}}}^2-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;})\cos \mathrm{\&theta;}+4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t}_{C^{\&prime;}}\sin \mathrm{\&theta;}\end{array}\right.$

其中，为抛物线的焦距，θ为采光半角；

最后，将t_C'代回点C在xoy坐标系中的参数方程验算，满足x_C<0且y_C>0，则H_min为所求值。

与现有技术比较，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种平板接收型复合抛物面聚光器（CPC）的截取方法，利用该截取方法截取的CPC，以CPC出射光孔为基准，获得两个特征高度，其中一个特征高度为表征CPC是否发生二次反射从而导致聚光后最佳均匀面的光强均匀度进一步恶化的指标，另一个特征高度为表征CPC在聚光后是否出现未聚光区域从而导致聚光后最佳均匀面的光强均匀度进一步恶化的指标，前一个特征高度要大于后一个特征高度，CPC截取后的高度，以CPC出射光孔为基准，只要其值在两个特征高度之间，则能够提高CPC经济性且保证聚光后的光强均匀度也获得了提高，能够较好应用于低倍聚光光伏以及光伏光热综合利用系统中。

附图说明

图1是本发明平板接收型复合抛物面聚光器的横切面坐标图,其中，图（a）为最大特征高度H_max的横切面坐标图，（b）为最小特征高度H_min的横切面坐标图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

如图1（a）、图1（b）所示，本发明提供了一种平板接收型复合抛物面聚光器（CPC）的截取方法，包括以下步骤：

1）在平板接收型复合抛物面聚光器CPC的横切面建立xoy坐标系，设CPC由抛物线 组成，其中，点B、点F在X轴上，且对称设置于Y轴两侧，点G、点I在X轴上方，则入射光孔宽度出射光孔宽度抛物线焦距CPC高度H以及CPC最佳均匀面B₁F₁与出射光孔BF之间的距离均已确定，平板接收体或太阳光伏电池布置在B₁F₁上；

2）将光线MC平行于y轴射向抛物线经抛物线发生反射后，反射后光线经过B点后与最佳均匀面B₁F₁交于A₁点；其中，点C为光线MC在抛物线的反射点，光路M-C-B-A₁为发生二次反射导致破坏B₁F₁上光强均匀度的分界线，则以出射光孔BF为基准，点C到X轴的距离为最大特征高度H_max；

3）将光线M'C'平行于y轴射向抛物线经抛物线发生反射后，与最佳均匀面B₁F₁交于A点；其中，点A为最佳均匀面B₁F₁与Y轴的交点，光路M'-C'-A为在B₁F₁上出现未聚光区域导致破坏B₁F₁上光强均匀度的分界线，则以出射光孔BF为基准，点C'到X轴的距离为最小特征高度H_min；

4）将CPC上部进行截取，截取后CPC高度为d，d起始于为X轴，沿Y轴向上，d的取值范围为：H_min≤d≤H_max。

在CPC的横切面建立xoy坐标系，在xoy坐标系内，CPC由抛物线 按照CPC基本原理组成，其几何聚光比C_G（C_G=1/sinθ，θ为采光半角）、入射光孔宽度出射光孔宽度抛物线焦距CPC高度H以及CPC最佳均匀面B₁F₁与出射光孔BF之间的距离均已确定，平板接收体或太阳光伏电池布置在B₁F₁上。

本发明中最高特征高度H_max以及最低特征高度H_min的具体计算过程为：

（1）最大特征高度H_max的计算过程为：

首先，获取点C在xoy坐标系中的参数方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_C=(4\stackrel{\text{-}}{\mathrm{FF}\&prime;}{t_C}^2-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;})\sin \mathrm{\&theta;}-4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t}_C\cos \mathrm{\&theta;}+\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}}{1+\sin \mathrm{\&theta;}}\\ y_C=(4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t_C}^2-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;})\cos \mathrm{\&theta;}+4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t}_C\sin \mathrm{\&theta;}\end{array}\right.$

其中，t_C为参数方程组中的参数值；

其次，计算特征高度H_max：

$\left\{\begin{array}{c}16({\sin }^2\mathrm{\&theta;}+\sin \mathrm{\&theta;}){t_c}^4+8({3\sin }^2\mathrm{\&theta;}+\sin \mathrm{\&theta;}-1){t_c}^2+(-16\sin \mathrm{\&theta;}\cos \mathrm{\&theta;})t_c+(-{3\sin }^2\mathrm{\&theta;}+\sin \mathrm{\&theta;}+2)=0\\ H_{\max }=(4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t_C}^2-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;})\cos \mathrm{\&theta;}+4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t}_C\sin \mathrm{\&theta;}\end{array}\right.$

其中，为抛物线的焦距，θ为采光半角；

最后，将t_C代回点C在xoy坐标系中的参数方程验算，满足x_C<0且y_C>0，则H_max为所求值。

（2）最小特征高度H_min的计算过程为：

首先，获取点C'在xoy坐标系中的参数方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{C^{\&prime;}}=(4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t_{C^{\&prime;}}}^2-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;})\sin \mathrm{\&theta;}-4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t}_{C^{\&prime;}}\cos \mathrm{\&theta;}+\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}}{1+\sin \mathrm{\&theta;}}\\ y_{C^{\&prime;}}=(4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t_{C^{\&prime;}}}^2-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;})\cos \mathrm{\&theta;}+4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t}_{C^{\&prime;}}\sin \mathrm{\&theta;}\end{array}\right.$

其次，计算特征高度H_min：

$\left\{\begin{array}{c}16({\sin }^2\mathrm{\&theta;}+\sin \mathrm{\&theta;}){t_{c^{\&prime;}}}^4+({32\sin }^2\mathrm{\&theta;}+8\sin \mathrm{\&theta;}-4){t_{c^{\&prime;}}}^2+8\sin \mathrm{\&theta;}\cos \mathrm{\&theta;}({\tan }^2\mathrm{\&theta;}-2)t_{c^{\&prime;}}+(-{5\sin }^2\mathrm{\&theta;}+\sin \mathrm{\&theta;}+1)=0\\ H_{\min }=(4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t_{C^{\&prime;}}}^2-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;})\cos \mathrm{\&theta;}+4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t}_{C^{\&prime;}}\sin \mathrm{\&theta;}\end{array}\right.$

其中，为抛物线的焦距，θ为采光半角。

最后，将t_C'代回点C在xoy坐标系中的参数方程验算，满足x_C<0且y_C>0，则H_min为所求值。

Claims (3)

1.一种平板接收型复合抛物面聚光器的截取方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）在平板接收型复合抛物面聚光器CPC的横切面建立xoy坐标系，设CPC的横切面由抛物线 组成，其中，点B、点F在X轴上，且对称设置于Y轴两侧，点G、点I在X轴上方，则入射光孔宽度出射光孔宽度抛物线焦距CPC高度H以及CPC最佳均匀面B₁F₁与出射光孔BF之间的距离均已确定，平板接收体或太阳光伏电池布置在B₁F₁上；

2）将光线MC平行于y轴射向抛物线经抛物线发生反射后，反射后光线经过B点后与最佳均匀面B₁F₁交于A₁点；其中，点C为光线MC在抛物线的反射点，光路M-C-B-A₁为发生二次反射导致破坏B₁F₁上光强均匀度的分界线，则以出射光孔BF为基准，点C到X轴的距离为最大特征高度H_max；

3）将光线M'C'平行于y轴射向抛物线经抛物线发生反射后，与最佳均匀面B₁F₁交于A点；其中，点A为最佳均匀面B₁F₁与Y轴的交点，光路M'-C'-A为在B₁F₁上出现未聚光区域导致破坏B₁F₁上光强均匀度的分界线，则以出射光孔BF为基准，点C'到X轴的距离为最小特征高度H_min；

4）将CPC上部进行截取，截取后CPC高度为d，d起始于为X轴，沿Y轴向上，d的取值范围为：H_min≤d≤H_max。

2.根据权利要求1所述的平板接收型复合抛物面聚光器的截取方法，其特征在于，最大特征高度H_max的计算过程为：

首先，获取点C在xoy坐标系中的参数方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_C=(4\stackrel{\text{-}}{\mathrm{FF}\&prime;}{t_C}^2-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;})\sin \mathrm{\&theta;}-4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t}_C\cos \mathrm{\&theta;}+\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}}{1+\sin \mathrm{\&theta;}}\\ y_C=(4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t_C}^2-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;})\cos \mathrm{\&theta;}+4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t}_C\sin \mathrm{\&theta;}\end{array}\right.$

其中，t_C为参数方程组中的参数；

其次，计算最大特征高度H_max：

$\left\{\begin{array}{c}16({\sin }^2\mathrm{\&theta;}+\sin \mathrm{\&theta;}){t_c}^4+8({3\sin }^2\mathrm{\&theta;}+\sin \mathrm{\&theta;}-1){t_c}^2+(-16\sin \mathrm{\&theta;}\cos \mathrm{\&theta;})t_c+(-{3\sin }^2\mathrm{\&theta;}+\sin \mathrm{\&theta;}+2)=0\\ H_{\max }=(4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t_C}^2-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;})\cos \mathrm{\&theta;}+4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t}_C\sin \mathrm{\&theta;}\end{array}\right.$

其中，为抛物线的焦距，θ为采光半角；

最后，将t_C代回点C在xoy坐标系中的参数方程验算，满足x_C<0且y_C>0，则H_max为所求值。

3.根据权利要求1或2所述的平板接收型复合抛物面聚光器的截取方法，其特征在于，最小特征高度H_min的计算过程为：

首先，获取点C'在xoy坐标系中的参数方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{C^{\&prime;}}=(4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t_{C^{\&prime;}}}^2-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;})\sin \mathrm{\&theta;}-4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t}_{C^{\&prime;}}\cos \mathrm{\&theta;}+\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}}{1+\sin \mathrm{\&theta;}}\\ y_{C^{\&prime;}}=(4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t_{C^{\&prime;}}}^2-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;})\cos \mathrm{\&theta;}+4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t}_{C^{\&prime;}}\sin \mathrm{\&theta;}\end{array}\right.$

其中，t_C'为参数方程组中的参数；

其次，计算最小特征高度H_min：

$\left\{\begin{array}{c}16({\sin }^2\mathrm{\&theta;}+\sin \mathrm{\&theta;}){t_{c^{\&prime;}}}^4+({32\sin }^2\mathrm{\&theta;}+8\sin \mathrm{\&theta;}-4){t_{c^{\&prime;}}}^2+8\sin \mathrm{\&theta;}\cos \mathrm{\&theta;}({\tan }^2\mathrm{\&theta;}-2)t_{c^{\&prime;}}+(-{5\sin }^2\mathrm{\&theta;}+\sin \mathrm{\&theta;}+1)=0\\ H_{\min }=(4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t_{C^{\&prime;}}}^2-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;})\cos \mathrm{\&theta;}+4\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{FF}\&prime;}{t}_{C^{\&prime;}}\sin \mathrm{\&theta;}\end{array}\right.$

其中，为抛物线的焦距，θ为采光半角；

最后，将t_C'代回点C在xoy坐标系中的参数方程验算，满足x_C<0且y_C>0，则H_min为所求值。