专利名称：四重抛物柱面聚光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能利用技术领域，特别是涉及一种对太阳光进行聚光的光学装置。
背景技术：
太阳能是一种清洁无污染的可再生能源，取之不尽，用之不竭，充分开发利用太阳 能不仅可以节约日益枯竭的常规能源，缓解严峻的资源短缺问题，而且还可以减少污染，保 护人类赖以生存的生态环境。在众多的太阳能利用技术中，最为常见的有太阳能光伏发电、太阳能光热发电、太 阳能热水器等。目前，在太阳能光伏发电中，绝大多数采用的是硅电池片的光伏发电技术， 而硅电池片只将到达地面的太阳能的15%左右的能量转换为电能，太阳能的利用效率总体 还是比较低的。太阳能光热发电技术中，主要是先对太阳光进行聚光，达到中高温后，再利用其热 量进行发电。包括太阳能光伏发电技术在内，目前的聚光技术主要有反射式聚光和透射式 聚光两类。反射式聚光主要分塔式、碟式、槽式、和线性菲涅尔四种形式。透射式聚光主要 采用普通的圆弧面透镜和菲涅尔透镜两种形式。而太阳能是一种能量密度比较低的资源， 因此要求无论是反射式聚光还是透射式聚光，都要求将采光面积设置的比较大。而普通的 圆弧面透镜要做得比较大时，其工艺成本就会直线上升，尤其是重量太大，一般只在天文望 远镜等特殊场合使用。菲涅尔透镜的面积做得比较大时，也存在加工工艺难、成本过高的问 题。目前最常用的三种菲涅尔透镜的制造工艺有压模、注模和聚化物浮花压制加工。压 模和聚化物浮花压制加工可以达到较好的沟槽效果，但成本高。而注模工艺成本低，但使用 寿命短，一般低于10年。这三种菲涅尔透镜的制造工艺都需要在玻璃的背面上结合一种塑 料。这种透镜的主要问题是聚光不均勻、塑料与玻璃之间的热膨胀率不同容易造成脱落、塑 料在太阳光下容易老化和发黄。目前，有一种叫做“光漏斗”的聚光器，它的缺点是聚光不均勻、聚光光线方向不一 致、聚光倍数有上限，而且当聚光倍数接近上限时，这种聚光器的尺寸会非常大，存在制造 与安装时的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种易于制造、成本低廉、性价比高、没有聚光倍数上限限 制的新型聚光光学装置。为实现上述目的，本发明的技术解决方案是一种四重抛物柱面聚光器，它包括至 少一组四重抛物柱面聚光单元。四重抛物柱面聚光单元由一次抛物柱面反射镜、二次抛物柱面反射镜、三次抛物 柱面反射镜、四次抛物柱面反射镜组成，用表面可以反射光线的簿板材料制作，如镜面不锈 钢板、镀膜塑料板、镀膜玻璃板等。在迪卡尔坐标xyz空间内，四个抛物反射镜面分别是四个不同抛物曲面的一部分，都朝同一方向开口，即向y轴方向开口。一次抛物柱面反射镜和 三次抛物柱面反射镜的反射面都是内侧表面反射；二次抛物柱面反射镜和四次抛物柱面反 射镜的反射面都是外侧表面反射。一次抛物柱面反射镜和二次抛物柱面反射镜具有相同的焦线，具有相同的对称 面，且一次抛物柱面反射镜的焦距大于二次抛物柱面反射镜的焦距；一次抛物柱面反射镜 和二次抛物柱面反射镜在xz平面内的投影不相交；一次抛物柱面反射镜的靠近顶点的一 侧边和二次抛物柱面反射镜的远离顶点的一侧边在XZ平面内的投影无限接近；当光线沿 坐标轴yo方向，即沿平行于一次抛物柱面反射镜的对称面、且垂直于它的焦线、且由开口 向顶点方向入射时，经一次抛物柱面反射镜的反射，光线全部到达二次抛物柱面反射镜的 外表面，由光学和几何学知识可知，这些光线再经过二次抛物柱面反射镜的反射，仍会沿坐 标轴yo方向，即沿平行于一次抛物柱面反射镜的对称面、且垂直于它的焦线、且由开口向 顶点方向传播。三次抛物柱面反射镜和二次抛物柱面反射镜在XZ坐标平面上的投影重合；三次 抛物柱面反射镜上的任一点的y坐标的最大值均小于二次抛物柱面反射镜和一次抛物柱 面反射镜的任一点y值，即三次抛物柱面反射镜在二次抛物柱面反射镜和一次抛物柱面反 射镜的下方。三次抛物柱面反射镜、四次抛物柱面反射镜具有相同的焦线，具有相同的对称面， 即Xy坐标平面，且三次抛物柱面反射镜的焦距大于四次抛物柱面反射镜的焦距；三次抛物 柱面反射镜和四次抛物柱面反射镜具有的相同的焦线与一次抛物柱面反射镜和二次抛物 柱面反射镜具有的相同的焦线之间互相垂直；三次抛物柱面反射镜和四次抛物柱面反射镜 在XZ平面内的投影不相交；三次抛物柱面反射镜的靠近顶点的一侧边和四次抛物柱面反 射镜的远离顶点的一侧边在XZ平面内的投影无限接近；当光线沿坐标轴yo方向，即沿平行 于一次抛物柱面反射镜的对称面、且垂直于它的焦线、且由开口向顶点方向入射时，经三次 抛物柱面反射镜的反射，光线全部到达四次抛物柱面反射镜的外反射表面，由光学和几何 学知识可知，这些光线再经过四次抛物柱面反射镜的反射，仍会沿坐标轴yo方向，即沿平 行于三次抛物柱面反射镜的对称面、且垂直于它的焦线、且由开口向顶点方向传播。当给定区域内的光线沿坐标轴yo方向，即沿平行于一次抛物柱面反射镜的对称 面、且垂直于它的焦线、且由开口向顶点方向入射时，经一次抛物柱面反射镜的反射，光线 全部到达二次抛物柱面反射镜的外反射表面，这些光线再经过二次抛物柱面反射镜的反 射，仍会沿坐标轴yo方向传播，再经过三次抛物柱面反射镜的反射，射向四次抛物柱面反 射镜的表面，再经过它的反射后，仍沿坐标轴 ο方向传播，并最终汇聚到一个更小的确定 的区域内，从而实现光线的汇聚功能。相反，当给定区域内的光线沿坐标轴oy方向，即沿平行于一次抛物柱面反射镜的 对称面、且垂直于它的焦线、且由顶点向开口方向入射时，分别经过四次抛物柱面反射镜、 三次抛物柱面反射镜、二次抛物柱面反射镜、一次抛物柱面反射镜的反射，光线最终会扩散 在更大的确定的区域内，从而实现光线的扩散功能。沿坐标轴oy方向，即沿平行于一次抛物柱面反射镜的对称面、且垂直于它的焦线 的方向的光线，经过四重抛物柱面聚光单元的汇聚或扩散作用后，入射光线与出射光线之 间是平行关系，因此，四重抛物柱面聚光单元以及由四重抛物柱面聚光单元组成的四重抛物柱面聚光器具有透镜组的功能，完全可以用于太阳能聚光，也可以用于望远镜、显微镜等 光学仪器中。由于四重抛物柱面聚光单元中的四个抛物反射面可采用普通的表面可以反射 光线的簿板材料安装在抛物曲线的模具上实现光线的汇聚与扩散功能，因此，四重抛物柱 面聚光单元以及由四重抛物柱面聚光单元组成的四重抛物柱面聚光器可以制做成相当大 的体积，与制做常规透镜相比，具有成本低廉，加工容易的巨大优势。
图1是本发明的侧俯视结构与光路示意图；图2是本发明的四重抛物柱面聚光单元结构示意图；图3是本发明的四重抛物柱面聚光单元结构示意4是本发明的四重抛物柱面聚光单元的前视图；图5是本发明的四重抛物柱面聚光单元的左视图；图6是本发明的四重抛物柱面聚光单元的顶视图。图中标号说明如下10-四重抛物柱面聚光单元、1-一次抛物柱面反射镜、2-二次抛物柱面反射镜、 3-三次抛物柱面反射镜、4-四次抛物柱面反射镜。
具体实施例方式如图1所示，本发明是一种四重抛物柱面聚光器，它包括至少一组四重抛物柱面 聚光单元10。如图2、图3、图4、图5所示，四重抛物柱面聚光单元10由一次抛物柱面反射镜1、 二次抛物柱面反射镜2、三次抛物柱面反射镜3、四次抛物柱面反射镜4组成，用表面可以反 射光线的簿板材料制作，如镜面不锈钢板、镀膜塑料板、镀膜玻璃板等。在迪卡尔坐标xyz 空间内，一次抛物柱面反射镜1的反射面E1F1G1H1、二次抛物柱面反射镜2的反射面E2F#2H2、 三次抛物柱面反射镜3的反射面&F3G3H3、四次抛物柱面反射镜4的反射面E4F4G4H4，分别是 四个不同抛物曲面的一部分，都朝同一方向开口，即向y轴方向开口。一次抛物柱面反射镜 1的反射面E1F1G1H1和三次抛物柱面反射镜3的反射面^F3G3H3都是内侧表面反射；二次抛 物柱面反射镜2的反射面E2Ff2H2和四次抛物柱面反射镜4的反射面^F4G4H4都是外侧表 面反射。一次抛物柱面反射镜1的反射面E1F1G1H1和二次抛物柱面反射镜2的反射面 E2F2G2H2具有相同的焦线MN，具有相同的对称面，即zy坐标平面，且一次抛物柱面反射镜1 的反射面E1F1G1H1的焦距大于二次抛物柱面反射镜2的反射面E2F2G2H2的焦距；一次抛物柱 面反射镜1的反射面E1F1G1H1和二次抛物柱面反射镜2的反射面E2Ff2H2在xz平面内的投 影不相交；一次抛物柱面反射镜1的反射面E1F1G1H1的靠近顶点的一侧边G1H1和二次抛物 柱面反射镜2的反射面E2F2G2H2的远离顶点的一侧边E2F2在xz平面内的投影无限接近；当 光线沿坐标轴yo方向，即沿平行于一次抛物柱面反射镜1的对称面、且垂直于它的焦线、且 由开口向顶点方向入射时，经一次抛物柱面反射镜1的反射面E1F1G1H1的反射，光线全部到 达二次抛物柱面反射镜2的反射面E2Ff2H2的外反射表面，由光学和几何学知识可知，这些 光线再经过二次抛物柱面反射镜2的外反射面E2F2G2H2的反射，仍会沿坐标轴yo方向，即沿5平行于一次抛物柱面反射镜1的对称面、且垂直于它的焦线、且由开口向顶点方向传播；一 次抛物柱面反射镜1的反射面E1F1G1H1和二次抛物柱面反射镜2的反射面E2F2G2H2之间存 在一一对应关系。三次抛物柱面反射镜3的反射面^F3G3H3和二次抛物柱面反射镜2的反射面 E2F2G2H2在xz坐标平面上的投影重合；三次抛物柱面反射镜3的反射面E3F3G3H3上的任一点 的y坐标的最大值均小于二次抛物柱面反射镜2的反射面E2F2G2H2和一次抛物柱面反射镜 1的反射面E1F1G1H1的任一点，即三次抛物柱面反射镜3的反射面E3F3G3H3在二次抛物柱面 反射镜2的反射面E2Ff2H2和一次抛物柱面反射镜1的反射面E1F1G1H1的下方。三次抛物柱面反射镜3的反射面E3F3G3H3、四次抛物柱面反射镜4的反射面^F4G4H4 具有相同的焦线UV，具有相同的对称面，即xy坐标平面，且三次抛物柱面反射镜3的反射 面E3F3G3H3的焦距大于四次抛物柱面反射镜4的反射面^F4G4H4的焦距；焦线UV与焦线MN 在空间上互相垂直；三次抛物柱面反射镜3的反射面E3F3G3H3、四次抛物柱面反射镜4的反 射面^F4G4H4在XZ平面内的投影不相交；三次抛物柱面反射镜3的反射面E3F3G3H3的靠近 顶点的一侧边G3H3和四次抛物柱面反射镜4的反射面E4Ff4H4的远离顶点的一侧边^F4在 xz平面内的投影无限接近；当光线沿坐标轴yo方向，即沿平行于一次抛物柱面反射镜3的 对称面、且垂直于它的焦线、且由开口向顶点方向入射时，经三次抛物柱面反射镜3的反射 面E3F3G3H3的反射，光线全部到达四次抛物柱面反射镜4的反射面^F4G4H4的外反射表面，由 光学和几何学知识可知，这些光线再经过四次抛物柱面反射镜4的反射面^F4G4H4的反射， 仍会沿坐标轴yo方向，即沿平行于三次抛物柱面反射镜3的对称面、且垂直于它的焦线、且 由开口向顶点方向传播；三次抛物柱面反射镜3的反射面E3F3G3H3和四次抛物柱面反射镜4 的反射面^F4G4H4之间存在一一对应关系。如图2、图3、图6所示，当AciBciCtlDci区域内的光线沿坐标轴yo方向，即沿平行于一 次抛物柱面反射镜1的对称面、且垂直于它的焦线、且由开口向顶点方向入射时，经一次抛 物柱面反射镜1的反射面E1F1G1H1的反射，光线全部到达二次抛物柱面反射镜2的反射面 E2F2G2H2的外反射表面，这些光线再经过二次抛物柱面反射镜2的外反射面E2Ff2H2的反射， 仍会沿坐标轴yo方向传播，再经过三次抛物柱面反射镜3的反射面^F3G3H3的反射，射向 四次抛物柱面反射镜4的反射面^F4G4H4的表面，再经过它的反射后，仍沿坐标轴yo方向 传播，并最终汇聚到A5B5C5D5区域内，从而实现光线的汇聚功能。A0B0C0D0区域内的每一点与 A5B5C5D5区域内每一点存在一一对应的关系。相反，当A5B5C5D5区域内的光线沿坐标轴oy方向，即沿平行于一次抛物柱面反射 镜1的对称面、且垂直于它的焦线、且由顶点向开口方向入射时，分别经过四次抛物柱面反 射镜4的反射面E4F4G4H4、三次抛物柱面反射镜3的反射面E3F3G3H3、二次抛物柱面反射镜2 的外反射面E2F2G2H2、一次抛物柱面反射镜1的反射面E1F1G1H1的反射，光线最终会扩散在 A0B0C0D0区域内，从而实现光线的扩散功能。如图1、图2、图3所示，沿坐标轴oy方向，即沿平行于一次抛物柱面反射镜1的对 称面、且垂直于它的焦线的方向的光线，经过四重抛物柱面聚光单元10的汇聚或扩散作用 后，入射光线与出射光线之间是平行关系，因此，四重抛物柱面聚光单元10以及由四重抛 物柱面聚光单元10组成的四重抛物柱面聚光器1具有透镜组的功能，完全可以用于太阳能 聚光，也可以用于望远镜、显微镜等光学仪器中。由于四重抛物柱面聚光单元10中的四个抛物反射面可采用普通的表面可以反射光线的簿板材料安装在抛物曲线的模具上实现光 线的汇聚与扩散功能，因此，四重抛物柱面聚光单元10以及由四重抛物柱面聚光单元10组 成的四重抛物柱面聚光器1可以制做成相当大的体积，与制做常规透镜相比，具有成本低 廉，加工容易的巨大优势。 如图2、图3、图4、图5所示，四重抛物柱面聚光单元10的一次抛物柱面反射镜1 和三次抛物柱面反射镜3、二次抛物柱面反射镜2和四次抛物柱面反射镜4的焦距为不同数 值时，四重抛物柱面聚光单元10以及由四重抛物柱面聚光单元10组成的四重抛物柱面聚 光器1形成的透镜，对平行光线的汇聚与扩散倍数也发生变化。从理论上计算，四重抛物柱 面聚光单元10以及由四重抛物柱面聚光单元10组成的四重抛物柱面聚光器1对平行光线 的汇聚与扩散倍数是没有上限的。
权利要求
1.一种四重抛物柱面聚光器，其特征在于它包括至少一组四重抛物柱面聚光单元 (10)。
2.根据权利要求1所述的四重抛物柱面聚光器，其特征在于四重抛物柱面聚光单元 (10)由一次抛物柱面反射镜(1)、二次抛物柱面反射镜O)、三次抛物柱面反射镜(3)、四次 抛物柱面反射镜(4)组成，用表面反射光线的簿板材料制作；在迪卡尔坐标xyz空间内，一 次抛物柱面反射镜(1)的反射面、二次抛物柱面反射镜(2)的反射面、三次抛物柱面反射镜 (3)的反射面、四次抛物柱面反射镜的反射面，分别是四个不同抛物曲面的一部分，开 口方向相同，即向y轴方向开口 ； 一次抛物柱面反射镜(1)的反射面和三次抛物柱面反射镜 (3)的反射面都是内侧表面反射；二次抛物柱面反射镜O)的反射面和四次抛物柱面反射 镜(4)的反射面都是外侧表面反射；一次抛物柱面反射镜(1)和二次抛物柱面反射镜(2) 具有相同的焦线，具有相同的对称面，即zy坐标平面，且一次抛物柱面反射镜(1)的焦距大 于二次抛物柱面反射镜O)的焦距；一次抛物柱面反射镜(1)和二次抛物柱面反射镜(2) 在xz平面内的投影不相交；一次抛物柱面反射镜(1)的反射面的靠近顶点的一侧边和二次 抛物柱面反射镜O)的反射面的远离顶点的一侧边在xz平面内的投影接近。
3.根据权利要求1所述的四重抛物柱面聚光器，其特征在于四重抛物柱面聚光单元 (10)中的三次抛物柱面反射镜(3)的反射面和二次抛物柱面反射镜O)的反射面在xz坐 标平面上的投影重合；三次抛物柱面反射镜(3)的反射面在二次抛物柱面反射镜O)的反 射面和一次抛物柱面反射镜(1)的反射面的下方。
4.根据权利要求1所述的四重抛物柱面聚光器，其特征在于四重抛物柱面聚光单元 (10)中的三次抛物柱面反射镜(3)、四次抛物柱面反射镜(4)具有相同的焦线，具有相同的 对称面，即xy坐标平面，且三次抛物柱面反射镜(3)的焦距大于四次抛物柱面反射镜(4) 的焦距；三次抛物柱面反射镜和四次抛物柱面反射镜具有的相同的焦线与一次抛物柱面反 射镜和二次抛物柱面反射镜具有的相同的焦线之间互相垂直；三次抛物柱面反射镜(3)的 反射面和四次抛物柱面反射镜(4)的反射面在xz平面内的投影不相交；三次抛物柱面反射 镜(3)的反射面的靠近顶点的一侧边和四次抛物柱面反射镜(4)的反射面的远离顶点的一 侧边在xz平面内的投影接近。
5.根据权利要求1所述的四重抛物柱面聚光器，其特征在于光线沿坐标轴yo方向， 即沿平行于一次抛物柱面反射镜(1)的对称面、且垂直于它的焦线入射时，经四重抛物柱 面聚光单元(10)中的四个抛物反射柱面的反射，光线发生汇聚或扩散，入射光线平行于出 射光线。
全文摘要
本发明公开了一种四重抛物柱面聚光器，它包括至少一组四重抛物柱面聚光单元。四重抛物柱面聚光单元由四个抛物柱面反射镜组成，分别是四个不同抛物曲面的一部分，开口方向相同。一次抛物柱面反射镜和二次抛物柱面反射镜具有相同焦线和对称面。三次抛物柱面反射镜和四次抛物柱面反射镜具有相同的焦线和相同的对称面，三次抛物柱面反射镜和四次抛物柱面反射镜的焦线与一次抛物柱面反射镜和二次抛物柱面反射镜的焦线之间垂直；四重抛物柱面聚光器对光线有汇聚或扩散作用，且入射与出射光线平行，四重抛物柱面聚光单元和由其组成的四重抛物柱面聚光器可用做透镜组，用于太阳能聚光，可制做成较大体积，没有聚光倍数上限限制，成本低，加工容易。
文档编号G02B19/00GK102043239SQ20101051892
公开日2011年5月4日 申请日期2010年10月26日 优先权日2010年10月26日
发明者张德胜 申请人:张德胜