CN105759412A - 一种由190个非球面反射镜组成的太阳能聚光系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能聚光系统，将190个优选的8次偶次非球面反射镜的顶点有序固定在YOZ平面上，入射太阳光束平行于XOY面，且与X轴负方向成25^°角；每个非球面反射镜方程中0≤h≤10cm；XYZ坐标系中，聚焦点坐标为<i>P</i>_{<i>f </i>}(<i>x</i>_<i>f</i>,?<i>x</i>_<i>f</i>tan25^°,0)，<i>x</i>_<i>f</i><i>=</i>?400，?<i>x</i>_<i>f</i>tan25^°=186.5231，聚焦点处光斑半径小于1cm。

Description

一种由190个非球面反射镜组成的太阳能聚光系统

技术领域：

本发明属于太阳能热利用技术领域，特别涉及一种由多个非球面反射镜组成的高聚光比反射型太阳能聚光光学系统。

背景技术

用一光学系统把进入采光口的入射太阳光束改变方向并会聚到在一小区域内形成高温热源，在太阳灶以及太阳能点火装置中广泛应用，在太阳能光热发电中也得到了越来越多的实践。顾名思义, 太阳能聚光系统就是把大面积的太阳辐照光收集或者聚焦到一小的接收器或输出装置上的工具。

按照对入射太阳光的聚集方式，太阳能聚光系统可分为反射式、折射式和折反混合式。反射式聚光装置有旋转抛物面式、抛物槽型式、平面定日镜式等。折射式聚光装置包括凸透镜式和菲涅尔透镜式，菲涅尔圆形透镜用于点聚焦，菲涅尔矩形透镜用于线聚焦。为了提高聚焦温度，就要增加光学聚光比，因此出现了复合抛物面太阳能聚光镜和多反射平面聚光系统。在一些大型太阳能利用装置中, 多采用反射式聚光。在反射式聚光集热装置中, 光能接收器要在反射镜的上方, 挡住了部分入射光束, 减少了阳光的反射, 直接降低了聚光比。因此, 为了不遮挡光路, 大部分聚光装置的设计均采用了偏轴聚焦。偏轴聚焦就是使入射光束与聚光镜的主轴成一定的夹角, 从而使聚焦点离开主轴。但是离开主轴后形成的是焦斑而不是焦点,也降低了聚光比。为了提高聚焦比，文献Improvedirradiance distribution on high concentration solar cell using free-formconcentrator 采用自由曲面增加提高太阳能聚光器的聚光性能；文献Optical design ofan aspherical cylinder-type reflecting solar concentrator采用非球面面型增加槽式太阳能聚光器的聚光比至285。本发明采用由多个非球面反射镜组成的太阳能聚光系统提高太阳能聚光比至15000以上，即提高了聚光比又实现了偏轴聚焦。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是克服现有反射式太阳能聚光系统偏轴聚焦时聚光比较小的问题，采用多个非球面反射镜组成的太阳能聚光系统，只通过一次反射就能使聚光比达到或超过15000。

本发明的190个非球面反射镜组成的太阳能聚光系统，其结构如图1所示，但是图1只示出了部分非球面反射镜。

本发明公开了一种反射型太阳能聚光系统，该系统由190个8次偶次非球面反射镜组成，且190个非球面反射镜顶点都规律的位于YOZ平面内， 8次偶次非球面方程为：

式中，，方程式第一项相当于一个二次曲面, C为二次曲面的顶点曲率, 1+a₂为二次曲面系数, a₂与二次曲面的离心率有关，a₄, a₆, a₈为非球面方程多项式中各高次项的系数，每个非球面反射镜方程中0≤h≤10cm；入射太阳光束平行于XOY面，且与X轴负方向成25^°角；直角坐标系XYZ中，聚焦点坐标为P_f (x_f, -x_ftan25^°, 0)，x_f=-400， -x_ftan25^°=186.5231；

每一反射镜的非球面参数，在以反射镜顶点为坐标原点O′，以过O′点的入射光线与O′P_f夹角平分线矢量作为新坐标系的X′轴负方向，以入射光单位矢量与X′轴负方向单位矢的矢积作为Z′轴正方向的局域坐标系X′Y′Z′中取表1-表10中的数据。

应该理解，上面的总体描述和下面的详细描述都是示例性和解释性的，是为了提供对如权利要求的本发明的进一步解释。

本发明的有益效果

本发明采用非球面反射镜及多个非球面反射镜组合的方式增加太阳能聚焦点处的聚光比，且只通过一次反射就能实现高聚焦比的太阳能聚光系统，以方便实现太阳能高温热利用。

用非球面代替二次曲面使聚光镜镜面面型有更多选择，与旋转抛物面相比，利用非球面反射镜可以更好的实现偏轴聚焦，提高太阳能聚光系统的聚光比。由磨光的铁、铜或玻璃等材料制成的反光镜组成非球面反射镜聚光系统可以建造能熔炼铁、铜及另外一些金属的熔炼炉，这样的太阳能熔炼炉，可以达到1000⁰C以上的高温。在太阳能应用领域特别是在太阳能高温热利用领域具有应用前景。

附图说明：

图1：由部分非球面反射镜组成的太阳能聚光系统聚光过程示意图；

图2：190个非球面反射镜组成的太阳能聚光系统中每一个反射镜顶点在坐标系中的位置示意图；

图3：非球面反射镜顶点不在XYZ坐标系的O点而在O′点时，以O′点为原点的坐标系X′Y′Z′建立示意图；

图4：整个太阳能聚光系统对太阳光束聚焦模拟图；

图中：1. 非球面反射镜 2. 入射光束 3. 反射光束 4. 聚焦光斑

具体实施方式：

在直角坐标系XYZ中，对于8次的非球面方程，

式中，，方程式第一项相当于一个二次曲面, C为二次曲面的顶点曲率, 1+a₂为二次曲面系数, a₂与二次曲面的离心率有关; a₄, a₆, a₈为非球面方程多项式中各高次项的系数。

请参阅图1, 系统由190个8次偶次非球面反射镜组成，且190个非球面反射镜顶点都规律的位于YOZ平面内；入射太阳光束平行于XOY面，且与X轴负方向成25^°角；每个非球面反射镜方程中0≤h≤10cm；XYZ坐标系中，聚焦点坐标为P_f (x_f, -x_ftan25^°, 0)，x_f=-400， -x_ftan25^°=186.5231。

请参阅图2,190个非球面反射镜分为10排，第1至第8排每排21个反射镜， 把(0,200,200)、(0, 200,-200)、(0, 60,200)、(0, 60,-200)四点围成的矩形均分为7×20的方格，每一非球面反射镜顶点都位于这些方格节点上；第9排15个聚光镜，其非球面顶点位于(0,40,140)、(0, 40,-140)线段上，相邻非球面反射镜顶点位置距离20cm；第10排7个聚光镜，其非球面顶点位于(0,20,60)、(0, 20,-60)线段上，相邻非球面反射镜顶点位置距离亦20cm。

请参阅图3, 对于以每一个非球面反射镜，建立以此非球面顶点为坐标原点O′，以过O′点的入射光线与O′P_f夹角平分线矢量作为新坐标系的X′轴负方向，以入射光单位矢量与X′轴负方向单位矢的矢积作为Z′轴正方向的X′Y′Z′新坐标系。

优选的，每一非球面反射镜的非球面参数在各自的局域坐标系X′Y′Z′中取表1-表10中的数据，表1-表10中的最后一列max(R)为此反射镜所引起的聚焦光斑最大半径，所有的max(R) ≤1cm。

优选的，所述的非球面反射镜材料为玻璃或者金属。

Claims (4)

1.一种由190个非球面反射镜组成的太阳能聚光系统，在直角坐标系XYZ中，对于8次偶次非球面方程，

式中，，方程式第一项相当于一个二次曲面, C为二次曲面的顶点曲率, 1+a₂为二次曲面系数, a₂与二次曲面的离心率有关; a₄, a₆, a₈为非球面方程多项式中各高次项的系数，其特征在于：系统由190个8次非球面反射镜组成，且190个非球面反射镜顶点都规律的位于YOZ平面内；入射太阳光束平行于XOY面，且与X轴负方向成25^°角；每个非球面反射镜方程中0≤h≤10cm；XYZ坐标系中，聚焦点坐标为P_f (x_f, -x_ftan25^°, 0)，x_f=-400， -x_ftan25^°=186.5231。

2.如权利要求1所述的一种由190个非球面反射镜组成的太阳能聚光系统，其特征在于：190个非球面反射镜分为10排，第1至第8排每排21个反射镜， 把(0, 200,200)、(0,200,-200)、(0, 60,200)、(0, 60,-200)四点围成的矩形均分为7×20的方格，每一非球面反射镜顶点都位于这些方格节点上；第9排15个聚光镜，其非球面顶点位于(0,40,140)、(0,40,-140)线段上，相邻非球面反射镜顶点位置距离20cm；第10排7个聚光镜，其非球面顶点位于(0,20,60)、(0, 20,-60)线段上，相邻非球面反射镜顶点位置距离亦20cm。

3.如权利要求1所述的一种由190个非球面反射镜组成的太阳能聚光系统，其特征在于：对于以每一个非球面反射镜顶点为坐标原点O′，以过O′点的入射光线与O′P_f夹角平分线矢量作为新坐标系的X′轴负方向，以入射光单位矢量与X′轴负方向单位矢的矢积作为Z′轴正方向的局域坐标系X′Y′Z′，顶点位于O′点反射镜的非球面参数取表1-表10中的数据：

。

4.如权利要求1所述的一种由190个非球面反射镜组成的太阳能聚光系统，其特征在于：所述的非球面反射镜材料为玻璃或者金属。