专利名称：由菲涅耳反射镜过渡连接的双级复合抛物镜聚光器的制作方法
技术领域：
本发明属太阳能聚光技术领域。
太阳能技术的普及将主要取决于它的经济性，鉴于太阳能高品位、低密度的特征，导致影响太阳能技术经济性的主要问题是提高聚焦比与高昂跟踪代价之间的矛盾。
为了解决提高聚焦比与高昂跟踪代价的矛盾，美国的Hinterberger与Winston(1996)发明了复合抛物镜聚光器(Compound ParabolicConcentratorsCPC)。它由两块相对竖起来的抛物反射镜11、12组成，其对称截面如附图1所示，它使开口端(上端口)的射线，汇集至吸收端(下端口)表面，左边和右边的镜子属于相对倾斜的抛物线，左、右抛物镜轴线13、14与聚光器对称轴线15构成+θa(-θa)接收半角，各自焦点分别为A、B。追踪几种射线显示这套装置具有下列倾角吸收特性所有入射角|θ|＜θa的进入开口端的射线，将经一次反射抵达吸收端，如图2所示；而所有倾角|θ|＞θa的射线将在两块反射镜之间来回反射多次并最终逃离开口端，如附图3所示。
复合抛物镜高度H与其开口宽度A之比H/A在不同接收半角θa时随聚焦比C的变化如附图4所示。图中可见，当复合抛物镜聚焦比C为14时，接收半角θa仅为4°，这就需要不断调整CPC的倾角，即跟踪光线倾角的变化；而取36°较大接收半角θa时，其聚焦比仅为1.5；因此这种复合抛物镜技术无法根本解决提高聚焦与减免跟踪的矛盾，性能价格比低，因此在工业上难于广泛使用。
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提供一种由菲涅耳反射镜过渡连接的双级复合抛物镜聚光器(Double stages CPCD-CPC)，解决单级复合抛物镜提高聚焦比和扩大接收角范围这两个主要功能相互制约的矛盾，提高效率，降低成本，从而实现在工业上的应用。
本发明设计的由菲涅耳反射镜过渡连接的双级复合抛物镜聚光器，包括二组与该聚光器轴对称的接收半角为θa的上级复合抛物镜和接收半角为θb的下级复合抛物镜，所说的过渡级菲涅耳反射镜由连接所说的上、下级复合抛物镜的一组变幻角度的反射面组成，该菲涅耳反射镜和上级复合抛物镜吸收端连接处有一和聚光器轴成θa/2倾角的转向镜，所说的上级复合抛物镜的吸收端宽度与下级复合抛物镜的开口端宽度及菲涅耳反射镜上、下端的宽度相等。过渡级长和宽之比为下级复合抛物镜接收半角的余切ctgθb。上级复合抛物镜吸收端端点向下所做任一角度射线和过渡级相交，该交点处菲涅耳反射镜反射面和聚光器轴线的夹角的两倍与所做射线和该吸收端平面的夹角ω及下级复合抛物镜接收半角θb之和等于90°。所说的双级复合抛物镜由所说的抛物线和菲涅耳反射线段构成二维聚焦的双级槽形复合抛物镜太阳能聚光器。所说的双级复合抛物镜由所说的抛物线和菲涅耳反射线段也构成三维聚焦的双级旋转体复合抛物镜太阳能聚光器。
本发明的原理结合图5～7说明如下本发明为菲涅耳反射镜过渡连接的双级复合抛物镜，由上级复合抛物镜51、下级复合抛物镜53和连接两者的菲涅耳反射镜过渡级52组成，如图5所示。其中上级复合抛物镜的功能是尽量扩大接收角范围，这样即可增加对相当部分太阳散射光的接收，还可容许直射光的入射角变化，从而减少倾角调节次数；下级复合抛物镜的功能是尽量增加聚焦比，以提高所集能量的品位。两级复合抛物镜之间的过渡级设置两块平行相对的菲涅耳反射镜52，把从上级复合抛物镜开口端54入射、经上级复合抛物镜51反射汇集和经转向镜58转向发散开的光线，重新反射成小于下级复合抛物镜接收半角θb的平行光线。本发明可避免单级复合抛物镜扩大接收角和增加聚焦比之间的矛盾。
上级复合抛物镜接收半角θa可取9°至36°，下级复合抛物镜的接收半角θb可取9°至36°，下级复合抛物镜开口端56宽度和上级复合抛物镜吸收端55宽度相等。双级复合抛物镜的聚焦比为上、下两级复合抛物镜聚焦比之积。
过渡级转向镜58的设计目的是使向右(左)下汇集的光束转为向左(右)下发散的光束，发散光束中任一光线和上级复合抛物镜吸收端平面的夹角ω界于θa至90°之间。图6为太阳光投射角等于θa的临界情况。过渡级长度和宽度之比为下级复合抛物镜接收半角θb的余切ctgθb。上级复合抛物镜吸收端端点向左(右)下发散的光束中，每间隔一个角度(例如10°)作出其相应射线并和过渡级左(右)边直线相交，在每一交点处做一块菲涅耳反射面52，其平面与聚光器轴线的夹角满足下列关系2+ω+θb＝90°其中θb为下级复合抛物镜的接收半角。经过这样设计的菲涅耳反射镜便可把向左(右)下发散光束转为向右(左)下的平行光束，且投射角恰好等于下级复合抛物镜的接收半角θb。
图7为投射角为0°，即入射光束和聚光器轴线平行时的另一临界情况。上级复合抛物镜的左右两块抛物镜分别将投射其上的平行光束反射成为吸收端各自端点附近的发散光束，并且该光束上边线与吸收端平面的夹角恰好也为θa，其余光线的夹角依次增大，正好利用对称设计的菲涅耳反射镜可将发散光束转为投射角等于下级复合抛物镜接收半角θb的平行光束，与上一临界情况类似，但减少一次转向反射，只需三次反射便可完成两次聚焦。
由于在上述两种临界情况下，上级复合抛物镜(及转向镜)都可把平行光束转为其吸收端端点的向下发散光束而其余情况时，发散点位于两端点之间，此时发散光束中任一光线对于菲涅耳反射镜的投射角比临界情况下有所减小，因此反射后的光线相对于下级复合抛物镜的投射角也必然小于临界时的θb，即小于其接收半角。这样就保证双级复合抛物镜在上级复合抛物镜连续变化的全部接收角范围内，所接收的平行太阳光束，其所有光线都能抵达下级复合抛物镜的吸收端。
本发明具有以下优点1、节省反射镜材料和扩大接收角范围。
由附图4查出并计算可得，本发明所述双级复合抛物镜在实现10聚焦比和21°接收半角时，总高度为上级复合抛物镜开口端宽度的4.034倍；而单级复合抛物镜要想实现10的聚焦比，高宽比则为5.60，而其接收半角却只有5.7°，即所用材料增加近三分之一，接收角范围却缩小3.68倍。因此说双级复合抛物镜由于充分综合了聚焦型复合抛物镜和接收型复合抛物镜各自的优势，从而完满地实现其功能组合。
2、解决聚焦比提高和高昂跟踪代价的矛盾本发明是以免跟踪的代价实现高聚焦比的技术，这就使得利用低密度太阳能去提供市场广阔的工业用热，在经济上最终成为可能，从而使得太阳能热利用不单单是一种针对未来的能源技术储备，也为其加入与传统能源技术的竟争，注入了新的活力。而所有这一切的实现，正是基于高聚焦比与跟踪代价这一个深刻技术性矛盾的最终解决。
图1为现有技术复合抛物镜原理示意图。
图2为入射角小于复合抛物镜接收半角θa时反射特性示意图。
图3为入射角大于其接收半角θa时反射特性示意图。
图4为复合抛物镜高宽比H/A作为聚焦比C和接收半角θa的函数关系示意图。
图5为本发明结构示意图。
图6为投射角等于接收半角θa时，双级复合抛物镜的光路图。
图7为入射光和聚光器轴平行时，上级复合抛物镜的光路图。
图8为本发明实施例一双级旋转体复合抛物镜结构示意图。
图9为本发明实施例二双级槽形复合抛物镜结构示意图。
本发明设计出二种结构的实施例，结合
如下实施例一本发明的实施例一是一双级旋转体复合抛物镜，其结构如图8所示，其中上级复合抛物镜81的接收半角为21°，吸收端85直径为400mm，将开口端截去一段使其高宽比为1，实际聚焦比为2.4，开口端84宽度为960mm，高度为960mm，过渡级82长度为400/tg15°＝1493mm；其中下级复合抛物镜83接收半角为15°，将其开口端86截去一段，使其高宽比为1.5，实际聚焦比为3.5，吸收端87直径为114mm，高度为600mm；双级复合抛物镜的聚焦比为(960/114)2＝71，高度为3053mm，高宽比为3.18。当双级复合抛物镜吸收端安置光电池板并构成光伏发电系统时，在免跟踪前提下，可节省71倍的光电池板，从而降低光伏发电系统的造价。
本发明的实施例二是一双级槽形复合抛物镜，其结构如图9所示，其上、下级复合抛物镜91、93为对称的两块柱状抛物形板，过渡级92为对称的两块平行菲涅耳反射镜，其它尺寸参数与实施例一类同。
权利要求
1.一种由菲涅耳反射镜过渡连接的双级复合抛物镜聚光器，其特征在于，该双级复合抛物镜包括二组与该聚光器轴对称的复合抛物线组成的接收半角为θa的上级复合物镜和接收半角为θb的下级复合抛物镜，所说的过渡级菲涅耳反射镜基于连接所说上级复合抛物镜吸收端和下级复合抛物镜开口端的一对平行线之上，所说上级复合抛物镜的吸收端宽度与下级复合抛物镜的开口端宽度及菲涅耳反射镜上、下端开口宽度相等，菲涅耳反射镜和上级复合抛物镜吸收端的连接处有一转向反射镜。
2.如权利要求1所述的聚光器，其特征在于过渡级长和宽之比为下级复合抛物镜接收半角的余切ctgθb。
3.如权利要求1所述的聚光器，其特征在于从上级复合抛物镜吸收端端点向下所做任一射线和过渡级平行线存在一交点，该交点处菲涅耳反射面和聚光器轴线夹角的两倍与所做射线和上级复合抛物镜吸收端平面的夹角ω及下级复合抛物镜接收半角θb之和等于90°。
4.如权利要求1所述的聚光器，其特征在于转向反射镜和聚光器轴线的夹角为上级复合抛物镜接收半角的一半，即θa/2。
5.如权利要求1所述的聚光器，其特征在于所说的双级复合抛物镜由所说的复合抛物线和菲涅耳反射线段构成二维聚焦的双级槽形复合抛物镜太阳能聚光器。
6.如权利要求1所述的聚光器，其特征在于所说的双级复合抛物镜由所说的复合抛物线和菲涅耳反射线段也构成三维聚焦的双级旋转体复合抛物镜太阳能聚光器。
全文摘要
本发明属太阳能聚光技术领域。该双级复合抛物镜包括二组与该聚光器轴对称的复合抛物线组成的接收半角为θa的上级复合物镜和接收半角为θb的下级复合抛物镜,过渡级菲涅耳反射镜基于连接所说上级复合抛物镜吸收端和下级复合抛物镜开口端的一对平行线之上,菲涅耳反射镜和上级复合抛物镜吸收端的连接处有一转向反射镜。本发明解决单级复合抛物镜提高聚焦比和扩大接收角范围这两个主要功能相互制约的矛盾,提高效率,降低成本。
文档编号G02B19/00GK1193747SQ9810163
公开日1998年9月23日 申请日期1998年4月24日 优先权日1998年4月24日
发明者丑乔力, 徐光 , 李新秋 申请人:清华大学