一种分段式等光强反射聚光镜的制作方法
【专利摘要】本实用新型属于透镜技术领域，特别涉及一种分段式等光强反射聚光镜，包括若干段依次连接的平面聚光镜单元，位于正中间的平面聚光镜单元与水平面平行，位于正中间的平面聚光镜单元设置为基准单元，并且设置于基准单元的右端的平面聚光镜单元的倾斜度均不相同；设置于基准单元的左端的平面聚光镜单元的倾斜度均不相同。相对于现有技术，本实用新型设计为分段式反光镜的均匀反射聚光，在确定了光伏板的宽度和垂直高度后，能够自适应地设计出当前条件下对光能利用率最大的反射聚光镜的摆放位置，本实用新型在保证聚光能力和聚光均匀的前提下，能有效降低装置的高度，并且使光线均匀分布在光伏板上，从而降低了因光伏板局部温度过高而被损坏的风险。
【专利说明】
-种分段式等光强反射聚光镜
技术领域
[0001] 本实用新型属于透镜技术领域，特别设及一种分段式等光强反射聚光镜。
【背景技术】
[0002] 太阳能作为地球上所有能源的总源头，不仅绿色环保，而且储量巨大，可持续利 用，是当今研究的前沿W及热点。但由于加工工艺W及现有的产品设计存在种种弊端，导致 太阳能的利用率较低且成本消耗严重，因此，如何能W低成本实现太阳能的高效率利用，也 成为了科学家研究的方向。
[0003] 关于太阳能聚光发电的国际性会议首次在2002年5月召开，会议表明光伏聚光系 统是一项很有潜力的技术，光伏技术即通过反射镜或透镜使太阳光福照度加强后投射到面 积小但性能优的光伏板上，提高太阳能光照的利用率并降低成本，进一步实现节能减排。
[0004] 研究学家对反射镜的聚光特性进行模拟研究的结果表示，微小的反射镜面形变化 也会明显降低聚光效果，但现今许多研究中都忽视反射镜面形所带来的聚光效果影响，近 似地认为反射镜是直接将太阳光线反射聚集到光伏板平面上。因此，现有技术中的反射聚 光镜存在局部受热不均匀的缺陷，容易导致光伏板因局部溫度过高而损坏，聚光集热效果 不甚理想。此外，现有技术中的反射聚光镜的设计方法复杂，且不能实现灵活的调整。
[0005] 有鉴于此，本实用新型旨在提供一种分段式等光强反射聚光镜，其抓住反射镜面 形变化能改变聚光效果的特点，采用分段式设计的思想，对每块不同高度W及倾斜角度的 反射镜通过精密计算制成，从而进一步增强聚光系统的聚光效果，提高太阳能的转化效率。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型的目的之一在于:针对现有技术的不足，而提供一种分段式等光强反 射聚光镜，其抓住反射镜面形变化能改变聚光效果的特点，采用分段式设计的思想，对每块 不同高度W及倾斜角度的反射镜通过精密计算制成，从而进一步增强聚光系统的聚光效 果，提高太阳能的转化效率。
[0007] 为了实现上述目的，本实用新型所采用如下技术方案：
[000引一种分段式等光强反射聚光镜，包括若干段依次连接的平面聚光镜单元，W水平 面为基准，位于正中间的所述平面聚光镜单元与水平面平行，位于正中间的所述平面聚光 镜单元设置为基准单元，并且设置于所述基准单元的右端的所述平面聚光镜单元的倾斜度 均不相同；设置于所述基准单元的左端的所述平面聚光镜单元的倾斜度均不相同。
[0009] 作为本实用新型分段式等光强反射聚光镜的一种改进，所述反射聚光镜W所述基 准单元的纵向中屯、线所在直线为对称轴对称设置。
[0010] 作为本实用新型分段式等光强反射聚光镜的一种改进，设置于所述基准单元的右 侧的每段所述平面聚光镜单元的长度均不同；设置于所述基准单元的左侧的每段所述平面 聚光镜单元的长度均不同。
[0011] 作为本实用新型分段式等光强反射聚光镜的一种改进，设置于所述基准单元的右 端的所述平面聚光镜单元的倾斜度向右逐渐增加;设置于所述基准单元的左端的所述平面 聚光镜单元的倾斜度向左逐渐增加。
[0012] 作为本实用新型分段式等光强反射聚光镜的一种改进，位于最右端的所述平面聚 光镜单元与水平面之间的夹角小于90°。
[0013] 作为本实用新型分段式等光强反射聚光镜的一种改进，所述位于正中间的平面聚 光镜单元设置为非反光镜。
[0014] 作为本实用新型分段式等光强反射聚光镜的一种改进，设置于所述基准单元的左 侧和右侧的所述平面聚光镜单元的段数均为2-10段。
[0015] 作为本实用新型分段式等光强反射聚光镜的一种改进，从所述基准单元往右计， 第i段平面聚光镜单元的左端点为(xii，yii)，其中i大于或等于1，则该段平面聚光镜单元的 右端点为：
[0016]
[0017]其中，d为光伏板的长度的l/2，ki为该段平面聚光镜单元的左端点与光伏板的左 端点的连线的斜率，k/ 11为该段平面聚光镜单元的斜率；
[001引11的计算公式为：
[0019]
[0020] 其中，Θ为该段平面聚光镜单元与水平面的倾斜角度，d为光伏板的长度的1/2，曰1 为该段平面聚光镜单元的左端点与光伏板的左端点的连线和法线的夹角，h为光伏板的垂 直高度。
[0021] 相对于现有技术，本实用新型设计为分段式反光镜的均匀反射聚光，在确定了光 伏板的宽度和垂直高度后，能够自适应地设计出当前条件下对光能利用率最大的反射聚光 镜的摆放位置，相对于传统的设计，本实用新型在保证聚光能力和聚光均匀的前提下，能有 效降低装置的高度，并且使光线均匀分布在光伏板上，从而具有很好地抗风效果，也降低了 因光伏板局部溫度过高而被损坏的风险。
[0022] 本实用新型的另一个目的在于提供一种分段式等光强反射聚光镜的设计方法，包 括W下步骤：
[0023] S1，设光伏板的长度为2d，光伏板在地面上的投影处的长度也为2d，并且投影处设 置长度为2d的基准单元，或者称为第0段平面聚光镜单元；
[0024] S2,定义太阳光垂直照射时的光线向量为/·'={0.。'\且其模为1;对于第0段平面聚 光镜单元，其右端点坐标为(d，0)，假设反射聚光镜的加工工艺的最小精度为cUin，则设定每 段平面聚光镜单元的初始长度为1，制造每段平面聚光镜单元的长度必须大于dmin，即1〉 dmin；
[0025] S3,对于第i(i含1)段平面聚光镜单元，任一段平面聚光镜单元的左端点为(xii, yii)，根据该点与光伏板的左端点的连线和法线的夹角〇1、光伏板的垂直高度h，确定该段平 面聚光镜单元的斜率11，它们满足W下方程：
[0026]
[0027] S4,根据光伏板的长度2d、任一段平面聚光镜单元的左端点与光伏板的左端点的 连线的斜率ki和该段平面聚光镜单元的斜率11，确定该段平面聚光镜单元的右端点(χ/ 11， y' ii):
[002引
[0029] S5，W完成设计的平面聚光镜单元的右端点（χ/11，/11)作为下一段相连接的平面 聚光镜单元的左端点，令xi+i,i = x' ii，yi+i,i=y' ii;
[0030] S6，重复第S3~S5，依次计算反射聚光镜的每一段平面聚光镜单元，直至当其与水 平面的倾斜角度Θ接近!，或长度小于加工工艺所能达到的最小精度时，则停止右半部分反 光镜的制造，然后将右半边的设计W第0段平面聚光镜单元的纵向中屯、线为对称轴对称得 到左半边部分反光镜的设计，此时完成了整个反射聚光镜的设计。
[0031] 相对于现有技术，本实用新型提供的设计方法不同于传统的设计方法，只需要给 出光伏板的宽度与光伏板的垂直高度，即可获得符合需求的反射聚光镜，设计方法简单，调 整灵活且设计成本低。而且，本实用新型设计的反射聚光镜中，位于基准单元的同一侧的每 一段平面聚光镜单元的长度均不同，从而确保了在不同的高度下，每一段平面聚光镜单元 都能把当前位置的光线全部均匀地反射到光伏板上。此外，本实用新型设计的反射聚光镜 为分段式平面镜，反射的光线具有等光强、均匀分布的特点，因此，相对于传统的设计方法 来说，本实用新型的聚光集热效果较好，并且克服了光伏板局部受热不均匀的弊端。
[0032] 总之，本实用新型抓住反射镜面形变化能改变聚光效果的特点，采用分段式设计 的思想，对每段不同高度W及倾斜角度的平面聚光镜单元通过精密计算制成，从而进一步 增强聚光系统的聚光效果，提高太阳能的转化效率。
【附图说明】
[0033] 图1为本实用新型的结构示意图。
[0034] 图2为本实用新型的设计步骤符号细节图。
[0035] 图3为本实用新型的聚光光路聚焦效果图。
[0036] 图4为本实用新型聚光光线整体仿真聚焦效果图。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合实施例对本实用新型及其有益效果作进一步详细的描述，但本实用新型 的实施方式并不限于此。
[0038] 如图1所示，本实用新型提供的一种分段式等光强反射聚光镜，包括若干段依次连 接的平面聚光镜单元1，W水平面为基准，位于正中间的平面聚光镜单元与水平面平行，位 于正中间的平面聚光镜单元设置为基准单元2,并且设置于基准单元2的右端的平面聚光镜 单元1的倾斜度均不相同；设置于基准单元2的左端的平面聚光镜单元1的倾斜度均不相同。 也就是说，本实用新型是由若干段平面聚光镜单元1依次连接而成，并且相邻的两段平面聚 光镜单元1之间的倾斜程度不同，W使得该反射聚光镜反射的光线具有等光强、均匀分布的 特点。
[0039] 反射聚光镜W基准单元2的纵向中屯、线所在直线为对称轴对称设置，即整个反射 聚光镜是对称结构，运样不仅便于设计，而且便于实现等光强。
[0040] 设置于基准单元2的右侧的每段平面聚光镜单元1的长度均不同；设置于基准单元 2的左侧的每段平面聚光镜单元1的长度均不同，从而确保在不同的高度下，每一段平面聚 光镜单元1都能把当前位置的光线全部均匀地反射到光伏板上。
[0041] 设置于基准单元2的右端的平面聚光镜单元1的倾斜度向右逐渐增加;设置于基准 单元2的左端的平面聚光镜单元1的倾斜度向左逐渐增加。设置于基准单元2的左侧和右侧 的平面聚光镜单元1的段数分别为2-10段。
[0042] 位于最右端的平面聚光镜单元1与水平面之间的夹角小于90%从而整个反射聚光 镜呈开放式结构，即平面聚光镜单元1从基准单元2分别向左右两端逐渐向上延伸、伸展。
[0043] 位于正中间的平面聚光镜单元1设置为非反光镜，运是因为光伏板不透明，因此在 其投影处无需放置反光镜。
[0044] 从基准单元2往右计，第i段平面聚光镜单元1的左端点为(xii，yn)，其中i大于或 等于1，则该段平面聚光镜单元1的右端点(χ/11，/11)为：
[0045]
[0046] 其中，d为光伏板的长度的l/2，ki为该段平面聚光镜单元1的左端点与光伏板的左 端点的连线的斜率，k/ 11为该段平面聚光镜单元的斜率；
[0047] k^ii的计算公式为：
[004引
[0049]其中，Θ为该段平面聚光镜单元1与水平面的倾斜角度，d为光伏板的长度的1/2，曰1 为该段平面聚光镜单元1的左端点与光伏板的左端点的连线和法线的夹角，h为光伏板的垂 直高度。
[0050] 总之，本实用新型设计为分段式反光镜的均匀反射聚光，在确定了光伏板的宽度 和垂直高度后，能够自适应地设计出当前条件下对光能利用率最大的反射聚光镜的摆放位 置，相对于传统的设计，本实用新型在保证聚光能力和聚光均匀的前提下，能有效降低装置 的高度，并且使光线均匀分布在光伏板上，从而具有很好地抗风效果，也降低了因光伏板局 部溫度过高而被损坏的风险。
[0051] 如图2所示，本实用新型还提供了一种分段式等光强反射聚光镜的设计方法，包括 W下步骤：
[0052] S1，设光伏板3的长度为2d，光伏板3在地面上的投影处的长度也为2d，并且投影处 设置长度为2d的基准单元2，或者称为第0段平面聚光镜单元；
[0053] S2,定义太阳光垂直照射时的光线向量为?("/，且其模为1;对于第0段平面聚 光镜单元，其右端点坐标为(d，0)，假设反射聚光镜的加工工艺的最小精度为cUin，则设定每 段平面聚光镜单元1的初始长度为1，制造每段平面聚光镜单元1的长度必须大于cUin，即1〉 dmin；
[0054] S3,对于第i(i含1)段平面聚光镜单元1，任一段平面聚光镜单元1的左端点为(xii， yii)，根据该点与光伏板3的左端点的连线和法线的夹角αι、光伏板3的垂直高度h，确定该段 平面聚光镜单元1的斜率k/ 11，它们满足W下方程：
[0化5]
[0056] S4,根据光伏板3的长度2d、任一段平面聚光镜单元1的左端点与光伏板的左端点 的连线的斜率ki和该段平面聚光镜单元1的斜率11，确定该段平面聚光镜单元1的右端点 (X' ii,y' ii):
[0化7]
[0化引S5，W完成设计的平面聚光镜单元1的右端点（χ/11，/11)作为下一段相连接的平 面聚光镜单元1的左端点，令xi+i,i = x/ ii，yi+i,i=/ ii;
[0059] S6，重复第S3~S5，依次计算反射聚光镜的每一段平面聚光镜单元，直至当其与水 平面的倾斜角度Θ接近V2,或长度小于加工工艺所能达到的最小精度时，则停止右半部分 反光镜的制造，然后将右半边的设计W第0段平面聚光镜单元的纵向中屯、线为对称轴对称 得到左半边部分反光镜的设计，此时完成了整个反射聚光镜的设计。
[0060] 如图3和图4所示分别为本实用新型的聚光光路聚焦效果图和聚光光线整体仿真 聚焦效果图，由图可知，本实用新型可W实现反射光线的等光强和均匀分布，从而保证聚光 的均匀性、较好的聚光聚热效果，W克服光伏板3局部受热不均匀的弊端。
[0061] 总之，本实用新型提供的设计方法不同于传统的设计方法，只需要给出光伏板3的 宽度与光伏板3的垂直高度，即可获得符合需求的反射聚光镜，设计方法简单，调整灵活且 设计成本低。而且，本实用新型设计的反射聚光镜中，位于基准单元2的同一侧的每一段平 面聚光镜单元1的长度均不同，从而确保了在不同的高度下，每一段平面聚光镜单元1都能 把当前位置的光线全部均匀地反射到光伏板3上。此外，本实用新型设计的反射聚光镜为分 段式平面镜，反射的光线具有等光强、均匀分布的特点，因此，相对于传统的设计方法来说， 本实用新型的聚光集热效果较好，并且克服了光伏板3局部受热不均匀的弊端。
[0062] 总之，本实用新型抓住反射镜面形变化能改变聚光效果的特点，采用分段式设计 的思想，对每段不同高度W及倾斜角度的平面聚光镜单元1通过精密计算制成，从而进一步 增强聚光系统的聚光效果，提高太阳能的转化效率。
[0063] 根据上述说明书的掲示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可W对上述实 施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面掲示和描述的【具体实施方式】，对 本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽 管本说明书中使用了一些特定的术语，但运些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型 构成任何限制。
【主权项】
1. 一种分段式等光强反射聚光镜，其特征在于:包括若干段依次连接的平面聚光镜单 元，以水平面为基准，位于正中间的所述平面聚光镜单元与水平面平行，位于正中间的所述 平面聚光镜单元设置为基准单元，并且设置于所述基准单元的右端的所述平面聚光镜单元 的倾斜度均不相同；设置于所述基准单元的左端的所述平面聚光镜单元的倾斜度均不相 同。2. 根据权利要求1所述的分段式等光强反射聚光镜，其特征在于:所述反射聚光镜以所 述基准单元的纵向中心线所在直线为对称轴对称设置。3. 根据权利要求1所述的分段式等光强反射聚光镜，其特征在于:设置于所述基准单元 的右侧的每段所述平面聚光镜单元的长度均不同；设置于所述基准单元的左侧的每段所述 平面聚光镜单元的长度均不同。4. 根据权利要求1所述的分段式等光强反射聚光镜，其特征在于:设置于所述基准单元 的右端的所述平面聚光镜单元的倾斜度向右逐渐增加;设置于所述基准单元的左端的所述 平面聚光镜单元的倾斜度向左逐渐增加。5. 根据权利要求2所述的分段式等光强反射聚光镜，其特征在于:位于最右端的所述平 面聚光镜单元与水平面之间的夹角小于90°。6. 根据权利要求1所述的分段式等光强反射聚光镜，其特征在于:所述位于正中间的平 面聚光镜单元设置为非反光镜。7. 根据权利要求1所述的分段式等光强反射聚光镜，其特征在于:设置于所述基准单元 的左侧和右侧的所述平面聚光镜单元的段数均为2-10段。8. 根据权利要求2所述的分段式等光强反射聚光镜，其特征在于:从所述基准单元往右 计，第i段平面聚光镜单元的左端点为(Xll，yu)，其中i大于或等于1，则该段平面聚光镜单 元的右端点(X' ilY il)为：其中，d为光伏板的长度的1/2，!^为该段平面聚光镜单元的左端点与光伏板的左端点的 连线的斜率，k' n为该段平面聚光镜单元的斜率； k'u的计算公式为：其中，9为该段平面聚光镜单元与水平面的倾斜角度，d为光伏板的长度的l/2，ai为该段 平面聚光镜单元的左端点与光伏板的左端点的连线和法线的夹角，h为光伏板的垂直高度。
【文档编号】G02B19/00GK205485035SQ201620173567
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月8日
【发明人】李弘 , 郭承军, 吴贺扬, 伍嘉文, 曾晓南, 张金喜, 黄羽中, 李本栋
【申请人】东莞华南设计创新院, 广州数锐智能科技有限公司