CN106996648A - 一种确定菲涅耳定日镜各圈子镜倾角的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定菲涅耳定日镜各圈子镜倾角的方法，包括如下步骤：(1)设置菲涅耳定日镜所有子镜共面，给定一个不为零的太阳光入射角，选择菲涅耳定日镜的某一圈子镜，该圈子镜在吸热面上的光斑是一个较大的空心椭圆；(2)通过同步倾角调整机构使该圈子镜逐渐内倾，使光斑逐渐缩小，直至光斑汇聚成一个具有最小短轴的狭长椭圆，短轴方向上的反射光汇聚到极致；(3)继续使子镜向内倾斜，长轴方向上的反射光继续汇聚，短轴方向上的光开始发散，椭圆开始向圆转变，直至最后长短轴尺寸相同，该圈子镜的倾角设定完成；(4)依次设定各圈子镜倾角，形成最小聚光光斑。本发明极大降低了定日镜的制造成本；可以很好的实现聚光的功能。

Description

一种确定菲涅耳定日镜各圈子镜倾角的方法

技术领域

本发明涉及太阳能利用技术领域，尤其是一种确定菲涅耳定日镜各圈子镜倾角的方法。

背景技术

近年来，太阳能相关的利用技术正处于快速发展期。定日镜是将太阳或者其他天体的光线反射到固定方向的光学装置，其中菲涅耳定日镜更是得到了广泛的应用。定日镜由多面子镜组成，若每面子镜都选用球面镜，单台球面定日镜能形成多倍聚光比，可以用较少的台数达到较高的总聚光比，但球面镜的曲率半径和定日镜中心到吸热面中心距离具有确定的关系，因此只要距离不同，定日镜的面型就不同，相应地，一个镜场中就会出现多种定日镜及子镜的规格，成本高昂，调整子镜较为困难；若每面子镜都选用平面镜，虽规格统一，在制造和调试方面的成本较低，但平面镜的聚光效果较差，达到同样的总聚光比，需要数倍于球面定日镜的台数，不能很好的实现聚光的功能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种确定菲涅耳定日镜各圈子镜倾角的方法，能够很好的实现聚光的功能，且能降低定日镜的制造成本。

为解决上述技术问题，本发明提供一种确定菲涅耳定日镜各圈子镜倾角的方法，包括如下步骤：

(1)设置菲涅耳定日镜所有子镜共面，给定一个不为零的太阳光入射角，选择菲涅耳定日镜的某一圈子镜，该圈子镜在吸热塔的吸热面上的光斑是一个较大的空心椭圆；

(2)通过同步倾角调整机构使该圈子镜逐渐内倾，使光斑逐渐缩小，直至光斑汇聚成一个具有最小短轴的狭长椭圆，短轴方向上的反射光汇聚到极致；

(3)继续使子镜向内倾斜，长轴方向上的反射光继续汇聚，短轴方向上的光开始发散，椭圆开始向圆转变，直至最后长短轴尺寸相同，该圈子镜的倾角设定完成；

(4)依次设定各圈子镜倾角，形成定日镜、太阳和吸热塔在该相对位置条件下的最小聚光光斑。

优选的，步骤(3)中，取同圈多面子镜分别求出其转动中心反射光与吸热面的交点，当所有交点距离圆心的距离相等时，则该圈子镜的反射光斑是圆形，光斑达到最小。

优选的，取同圈多面子镜，子镜的个数至少为5个。

优选的，将该圈子镜无穷细分，使之沿定日镜半径方向上的尺寸不变，但周长方向上无线窄，该圈子镜被分割成无穷多个扇形微元；在该圈微元组成的镜组中取5面子镜，此5面子镜中心点连线为正五边形，若5面子镜中心点对应的吸热面上的反射点距离吸热面中心点距离相等，则该圈子镜的最优聚光倾角设置完成。

优选的，设置一圈子镜倾角的具体步骤为：入射光线方向单位向量为某台菲涅耳定日镜中心为O₂(x₂,y₂,z₂)，其法线方向向量为反射光线方向单位向量为与塔上吸热面的交点为O₁(x₁,y₁,z₁)，吸热面向Y轴倾斜，与Z轴正方向夹角φ，该定日镜某圈子镜，某一面的转动中心为A_w，向内转动了角度β，子镜中心的反射光与吸热面交于A′_w(m_w,p_w,q_w)；

设A_wO₂＝r，可先在圆心为O₂、半径为r的圆上任取一个子镜微元的中心点为A₁，其他几面子镜中心点可根据与O₂A₁的角度关系来确定；

可由方程组(1)解得

然后由方程组(2)解得w＝2,3,4,5：

设变角度后，子镜法线方向单位向量此法线与初始状态法线夹角为β，并与夹角为其中

于是可由方程组(3)解得

5面子镜的反射光线单位方向向量根据入射角等于反射角，和可得方程组(4)并解得A′_w(m_w,p_w,q_w)：

从β＝0开始，选择合适的步长Δβ，分别对w＝1,2,3,4,5时进行计算，比较max(O₁A′_w)和min(O₁A′_w)的差值是否在设定精度范围内，即可确定该圈子镜聚光光斑达到最小的β值。

本发明的有益效果为：(1)采用低成本的小平面镜组合而成，无需使用球面镜，极大降低了定日镜的制造成本；(2)可对同一圈子镜进行批量的设置，降低了安装调试难度，节约了安装调试时间，降低了安装调试的成本；(3)可以很好的实现聚光的功能。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图。

图2为本发明的菲涅耳定日镜的子镜排列方式示意图。

图3为本发明的单圈子镜焦斑随倾角的变化示意图。

图4为本发明的定日镜、太阳和塔上吸热面的相对关系示意图。

具体实施方式

如图1和3所示，一种确定菲涅耳定日镜各圈子镜倾角的方法，包括如下步骤：

(1)设置菲涅耳定日镜所有子镜共面，给定一个不为零的太阳光入射角，选择菲涅耳定日镜的某一圈子镜，该圈子镜在吸热塔的吸热面上的光斑是一个较大的空心椭圆；

(2)通过同步倾角调整机构使该圈子镜逐渐内倾，使光斑逐渐缩小，直至光斑汇聚成一个具有最小短轴的狭长椭圆，短轴方向上的反射光汇聚到极致；

(3)继续使子镜向内倾斜，长轴方向上的反射光继续汇聚，短轴方向上的光开始发散，椭圆开始向圆转变，直至最后长短轴尺寸相同，该圈子镜的倾角设定完成；

(4)依次设定各圈子镜倾角，形成定日镜、太阳和吸热塔在该相对位置条件下的最小聚光光斑。

如图2所示，本发明的菲涅耳定日镜采用平面扇形子镜，各子镜分多圈呈环形阵列，因此是一种圆形定日镜。所有子镜的外接圆半径基本相等，外接圆圆心为各子镜的转动中心以及与定日镜支撑结构的连接点，这些连接点均在同一个平面内。在各圈子镜姿态未设置好之前，所有子镜均只有一个自由度，即只能在定日镜中心和子镜中心的连线方向转动。

所有子镜在初始状态下均处于同一平面，共同垂直于整个定日镜采光口平面的法线。每一圈子镜都可以通过伞状倾角调整机构同时以相同的倾角向定日镜中心旋转至设计值之后锁死，使其失去最后一个自由度。各圈子镜设定好自己的倾角后，通过定日镜追日机构可在塔式吸热器上叠加出一个小于定日镜采光口的光斑，实现聚光的目的。

如图4所示，设置一圈子镜倾角的具体步骤为：入射光线方向单位向量为某台菲涅耳定日镜中心为O₂(x₂,y₂,z₂)，其法线方向向量为反射光线方向单位向量为与塔上吸热面的交点为O₁(x₁,y₁,z₁)，吸热面向Y轴倾斜，与Z轴正方向夹角φ，该定日镜某圈子镜，某一面的转动中心为A_w，向内转动了角度β，子镜中心的反射光与吸热面交于A′_w(m_w,p_w,q_w)；

设A_wO₂＝r，可先在圆心为O₂、半径为r的圆上任取一个子镜微元的中心点为A₁，其他几面子镜中心点可根据与O₂A₁的角度关系来确定；

可由方程组(1)解得

然后由方程组(2)解得w＝2,3,4,5：

设变角度后，子镜法线方向单位向量此法线与初始状态法线夹角为β，并与夹角为其中

于是可由方程组(3)解得

5面子镜的反射光线单位方向向量根据入射角等于反射角，和可得方程组(4)并解得A′_w(m_w,p_w,q_w)：

从β＝0开始，选择合适的步长Δβ，分别对w＝1,2,3,4,5时进行计算，比较max(O₁A′_w)和min(O₁A′_w)的差值是否在设定精度范围内，即可确定该圈子镜聚光光斑达到最小的β值。

具体采用的定日镜的布置方案如表1所示。其中，ri为各圈子镜中心到定日镜中心的距离；R1为各圈子镜外缘到定日镜中心距离；R2为各圈单面子镜的外接圆半径；一台定日镜有5圈共95面子镜，轮廓半径1.83m。相邻子镜的间距为0.01m，包含中间的圆形孔洞在内，缝隙率为6.9％。

表1一种菲涅耳定日镜的镜面相关参数

假设该定日镜在吸热塔的正北方向，定日镜中心到吸热面中心的水平距离为100m，定日镜中心高2m，吸热面中心高32m，吸热面向下倾斜36.5°，即吸热面法线和水平面夹角为36.5°，太阳光入射角为30°。在上述条件下该定日镜具有最小焦斑尺寸的各圈子镜的计算结果如表2所示。

表2各圈子镜的计算结果

按照表2的计算结果在TracePro中建立聚光器模型然后进行模拟，可以验证各圈子镜是否在表2所示的计算姿态下整台定日镜具有最小焦斑，并且得到最小焦斑的具体值。如果焦斑是椭圆，则椭圆长轴半径为焦斑半径。模拟结果表明各圈子镜实现最小焦斑时的倾角和计算结果相符。

此外，从模拟过程中还可以发现，在同一时刻外圈最小焦斑半径总是大于内圈的最小焦斑。因此可将最外圈子镜的最小焦斑作为整台定日镜的最小焦斑。于是，内部各圈子镜倾角都存在一个解域而不是单值，使得在同样的太阳位置条件下，这台定日镜内圈的焦斑不大于外圈焦斑。这说明内部各圈的倾角设置有一个容忍误差范围，从而降低了安装调试的精度和难度。定日镜最小焦斑尺寸及对应的各圈子镜倾角取值范围见表3。

表3定日镜最小焦斑及各圈子镜倾角取值范围

尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (5)

1.一种确定菲涅耳定日镜各圈子镜倾角的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)设置菲涅耳定日镜所有子镜共面，给定一个不为零的太阳光入射角，选择菲涅耳定日镜的某一圈子镜，该圈子镜在吸热塔的吸热面上的光斑是一个较大的空心椭圆；

(2)通过同步倾角调整机构使该圈子镜逐渐内倾，使光斑逐渐缩小，直至光斑汇聚成一个具有最小短轴的狭长椭圆，短轴方向上的反射光汇聚到极致；

(3)继续使子镜向内倾斜，长轴方向上的反射光继续汇聚，短轴方向上的光开始发散，椭圆开始向圆转变，直至最后长短轴尺寸相同，该圈子镜的倾角设定完成；

(4)依次设定各圈子镜倾角，形成定日镜、太阳和吸热塔在该相对位置条件下的最小聚光光斑。

2.如权利要求1所述的确定菲涅耳定日镜各圈子镜倾角的方法，其特征在于，步骤(3)中，取同圈多面子镜分别求出其转动中心反射光与吸热面的交点，当所有交点距离圆心的距离相等时，则该圈子镜的反射光斑是圆形，光斑达到最小。

3.如权利要求2所述的确定菲涅耳定日镜各圈子镜倾角的方法，其特征在于，取同圈多面子镜，子镜的个数至少为5个。

4.如权利要求3所述的确定菲涅耳定日镜各圈子镜倾角的方法，其特征在于，将该圈子镜无穷细分，使之沿定日镜半径方向上的尺寸不变，但周长方向上无线窄，该圈子镜被分割成无穷多个扇形微元；在该圈微元组成的镜组中取5面子镜，此5面子镜中心点连线为正五边形，若5面子镜中心点对应的吸热面上的反射点距离吸热面中心点距离相等，则该圈子镜的最优聚光倾角设置完成。

5.如权利要求1所述的确定菲涅耳定日镜各圈子镜倾角的方法，其特征在于，设置一圈子镜倾角的具体步骤为：入射光线方向单位向量为某台菲涅耳定日镜中心为O₂(x₂,y₂,z₂)，其法线方向向量为反射光线方向单位向量为与塔上吸热面的交点为O₁(x₁,y₁,z₁)，吸热面向Y轴倾斜，与Z轴正方向夹角φ，该定日镜某圈子镜，某一面的转动中心为A_w，向内转动了角度β，子镜中心的反射光与吸热面交于A′_w(m_w,p_w,q_w)；

设A_wO₂＝r，可先在圆心为O₂、半径为r的圆上任取一个子镜微元的中心点为A₁，其他几面子镜中心点可根据与O₂A₁的角度关系来确定；

可由方程组(1)解得

$\left\{\begin{array}{c}(x_{A_1}-x_2)\×N_i+(y_{A_1}-y_2)\×N_j+(z_{A_1}-z_2)\×N_k=0\\ {(x_{A_1}-x_2)}^2+{(y_{A_1}-y_2)}^2+{(z_{A_1}-z_2)}^2=r^2\\ x_{A_1}=x_2\end{array}\right.---\left(1\right)$

然后由方程组(2)解得w＝2,3,4,5：

设变角度后，子镜法线方向单位向量此法线与初始状态法线夹角为β，并与夹角为其中

于是可由方程组(3)解得

$\left\{\begin{array}{c}\frac{N_i{a}_w+N_j{b}_w+N_k{c}_w}{\sqrt{{N_i}^2+{N_j}^2+{N_k}^2}}=cos\mathrm{\β}\\ \frac{a_w(x_2-x_{A_w})+b_w(y_2-y_{A_w})+c_w(z_2-z_{A_w})}{r}=cos(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\β})\\ {a_w}^2+{b_w}^2+{c_w}^2=1\end{array}\right.---\left(3\right)$

5面子镜的反射光线单位方向向量根据入射角等于反射角，和可得方程组(4)并解得A′_w(m_w,p_w,q_w)：

从β＝0开始，选择合适的步长Δβ，分别对w＝1,2,3,4,5时进行计算，比较max(O₁A′_w)和min(O₁A′_w)的差值是否在设定精度范围内，即可确定该圈子镜聚光光斑达到最小的β值。