专利名称：高次柱面反射型太阳能聚光镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种反射并聚焦太阳光束在一窄线段上的高次柱面反射镜装置，属于太阳能利用领域。
背景技术：
收集和汇聚太阳光的聚光镜是利用太阳能的关键部件，在太阳灶以及利用太阳能点火装置中广泛应用。太阳能聚光镜按其聚光的方式可分为透射式聚光镜和反射式聚光镜，这两种聚光镜在各自领域中有不同的应用。聚光镜不仅要对镜面的材料进行选择，还要对几何形状进行设计。 反射式聚光镜面设计，大都采用旋转抛物面的聚光原理。旋转抛物面聚光镜是按照阳光从主轴线方向入射，光束聚焦在抛物线的焦点处，所以在焦点上的太阳灶或者点火装置会遮挡部分入射光束，直接影响太阳能利用效率。为了不遮挡入射光路，目前，我国大部分太阳能聚光镜的设计采用了偏轴聚焦。偏轴聚焦就是使入射光束与旋转抛物面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不是焦点而是一个散斑，散斑的形状随光线与主轴的夹角而变化，因此为了控制焦斑的形状，又要对旋转抛物面进行改造，有的将抛物面分割成若干段的反射镜，光学上称之为菲涅耳镜，也有把菲涅耳镜做成连续的螺旋式反光带片，俗称“蚊香式太阳灶”，这又给聚光镜面的制作带来一定困难。因此高聚光效率与简单的加工工艺不能兼顾。影响聚光器性能的因素较多，主要因素如下①聚光器的几何形状；②聚光器加工工艺的难易程度；③聚光器材料的选择聚光器的焦点位置。
发明内容
本发明公开了一种高次柱面反射型太阳能聚光镜，克服了现有技术存在的聚光镜面制作困难，焦斑不易控制的问题，用高次柱面汇聚太阳能，太阳能利用率高，加工工艺简单，形成窄线形光斑，可作为新型强光源。本发明的技术方案为
高次柱面反射型太阳能聚光镜，它是一个对太阳光束高反的高次柱面。此高次柱面可以由金属磨制而成，也可以由铺设在高次柱面上的对太阳光高反的镀铝聚酯薄膜构成。高次柱面分为两上下部分的，其方程都为
x=—j===— + / +%/ +a^ +%>f10+%yu(I) + φ ^yV2(Ua2)
该柱面的母线平行于轴。其中为直角坐标系的三个坐标量^为曲面的弯曲量。Z为高次柱面的高，可以根据需要任意选择。O—定时，式(I)是高次曲线，
C为高次曲线顶点的曲率为高次曲线方程(I)的系数，％是与二次曲线的离心率有关的常数。当入射太阳光束平行于撕7面以与z轴成β (=25. 5°)的角度照射
至IJ高次柱面内壁上时(沿光线行进方向上的单位向量Jj = 25.5◎,顧25,5e,Oj
X通过适当设置高次柱面方程的参数A2，^為為，与二可以使入射到高次柱面上的太阳光束全部聚焦在一条过产Cr'tan 〃，z)点且与母线平行的宽度很窄的线段上。任一反射光线上一点产'{x' , y' ' , ^)，当^ 一定时，7''与^的关系为
f = J--(I-Kf)
这里X，,为入射光线在反射镜面上的投射点.pfxjjj的坐标值，α2,$为反射光线单
位矢量，爲Λ)在I轴和7轴上的分量为聚焦点在ζ轴上的目标值，可以根据实际需要设置，在本发明中设置为x! =-50cmo = — ， 4 =爲-%βΜ， 其中g = -2eosJ
上面三式中，J为入射角，ai#L为光线入射点处的单位法矢量Nf aMf βΝ> O)在ζ轴和7轴上的分量。当Ql(OiriBifO) 一定时，/，αΜ,βΜ是高次柱面方程参数，~%%%%%%，c的函数，亦即Jff是高次柱面方程参数λ3，《ι·%為為0 %為4>%，(的函数,适当选择这些参数可以使产'Cr'，y '，W逼近产Cr'，X' tan z)，从而使反射光线都聚焦在一线段附近，形成一很细的线段型光斑。令Δ/ = )··#-Λ3η汐=/-23.843δ,/^/绝对值愈小，反射光线聚焦愈好，
的目标值为O。当所有反射光线的值都等于O时，则入射到高次柱面上的太阳光反射后都过产Cr'tan 〃，z)点，随着z的变化形成一线形光斑，即所有反射光都聚焦在一条与高次柱面母线平行的线段上。高次柱面在Z—定时关于HCf)的曲线以Z轴为界，分为上下两部分，上半部分与下半部分高次柱面方程的参数《2，%為為()，％，％，％，C各不同，分别进行选择。叫吟=//为太阳光的入射孔径，入射孔径越大，聚光镜的受光面越大，收集的太阳能越多。本发明的有益效果
(1)由于太阳光在高次柱面反射，所以不产生色差；
(2)高次柱面镀以高反膜，对太阳光只进行一次反射，所以能量损失小，收集效率高；
(3)//决定了太阳光入射孔径的大小，可以通过增大或减小/T1和/Z2决定太阳光聚焦点光能量密度的大小；
(4)把柱面上的平行入射光，汇聚在柱面之外，聚光处物体不遮挡入射光线，太阳能利
用率显著提高；
(5)由于汇聚形成的光源是线形的，可用于类似太阳能热水器这种需要线形光源的设备当中；
(6)因为结构简单，可采用机械加工制作出高精确度的模具，批量铸造，一次成型，价格低廉，然后再组装外部设施；
图I:高次柱面反射型太阳能聚光镜外形示意 图2 太阳光束照射到高次柱面反射型太阳能聚光镜上的聚焦效果 图3 太阳光束照射到高次柱面反射型太阳能聚光镜上的反射立体效果 图4:过曲面顶点0处的入射光、反射光示意 图5 入射太阳光线与高次曲线交点求解过程示意 图6 入射光矢量、入射点法线矢量及反射光矢量关系示意图；
图7:入射太阳光束孔径示意 图8 高次柱面反射型太阳能聚光镜上半部太阳光线反射的计算机模拟；
图9 高次柱面反射型太阳能聚光镜下半部太阳光线反射的计算机模拟；
图10 高次柱面反射型太阳能聚光镜上下两半部合成的太阳光线反射的计算机模
拟；
图中
I.高次柱面反射型太阳能聚光镜骨架2.高次柱面反射型太阳能聚光镜反射镜面3.太阳光束4.光束汇聚线5.入射光线6.顶点0处的曲面法线7.反射光线
具体实施例方式 下面结合附图对本发明的具体实施方式
做进一步说明
高次柱面反射型太阳能聚光镜的加工比较简单，可以采用数控机床加工，材料用金属或者塑料，如果用塑料做材料的话，表面要辅以对太阳光高反的镀铝聚酯薄膜，我们采用后一种。高次柱面反射型太阳能聚光镜的外形结构如图I所示，由高次柱面塑料骨架和镀铝的金属薄膜构成。当平行于撕7面的入射光线以与Z轴成β角入射到高次柱面聚光镜上时，其反射光束的聚光效果如图2所示，光束在聚光镜外聚焦成一条宽度很小的线段型光斑。图3是高次柱面反射型太阳能聚光镜聚光效果的立体图。从图2图3中可以想到，达到聚光效果的关键是聚光镜的面型设计，即高次方程参数@2，
，(的设计。下面分三部分说明高次方程参数％，C的求解过程及所考虑的因素，首先研究高次柱面的反射规律
一、利用光线追迹方法研究太阳光束入射到高次柱面上的反射规律
I.首先研究过顶点O的一条特殊光线
图4中的曲线为高次柱面与ζ=0面的一条截线，截线方程就是方程(I)。建立如图4坐标系，坐标系原点0在截线的顶点，以这个顶点为界，_7>0部分属于一个高次方程，_7〈0部分属于另一个高次方程，这两个高次方程的参数^分别求解。上下两部分在O点处的法线都沿Z轴的反方向，入射光线在Z=O面内，入射到0点处的一条光线与I轴的夹角是〃。根据反射定律，反射光线与I轴的夹角也是〃，且过产{χ'，tan〃)点，其中^为离开顶点的Z坐标值。因此反射光斑位置并不是任意设置的，其偏离I轴的位置与离开曲面顶点O的^值有关，^越大，偏轴距离^ tan 〃越大。假设0=25. 5°,光斑离开顶点0的^值为50cm，则偏轴距离为50*tan (25. 5°)=23. 8488，当光斑离开顶点0的^值为60cm，则偏轴距离为60*tan(25. 5° )=28. 6185。也就是说，入射光线与Z轴夹角为25. 5°时，这种类型的太阳灶，偏轴距离只能是离开曲面顶点O的f值的一半左右。如果光斑离顶点的距离为30cm，则光斑偏轴距离只能在30*tan(25. 5°) =14. 3093cm。为了不遮挡光路，应该增大光斑偏轴距离，也就应该相应增大光斑离开反射面顶点的距离。2.不过顶点0的一般光线
(O由P0和&求入射光线与高次曲线的交点
如图5所示，P0(χ0, χ0)为入射光线上一点,β/尾)表示沿光线行进方向上的单位向量，光线与高次曲线的交点可以通过如下方法近似求得；
首先求出光线和7轴的交点P1，并把Λ作为光线与高次曲面的第一次近似解，如图5所示，然后由Λ Cr1, T1)作X轴的平行线，交曲线与一点产/ Cr/，T1),把光线和过产/点的切线的交点Λ Cr2, Λ)作为新的近似解。然后重复以上步骤直到满足要求的精度为止;
由图5可直接得到 f Xj O
m - ,Vo + οβχ
令A = φ-( +α2)€2γ2,由Pi ， )根据方程(I)求得Λ' Cr/，yx)的坐标七'
彳=為 + Qs)\ + Vl' + Vi1 + V, + W + aIkhu + anhU
下面求曲线在ΛZ的切线方程，首先把方程(I)改写为如下形式
ιτ%Λ—
Ff XJ ,I--+ α./ +Λ,/'+ν1+ ^18Jli + i !,/1 + +%,/11-r = 0
1 +务 fl + e^y
把/7 (.x,y)分别对求偏导得
'aF| __j
LjJ1M
< f - \
=Ji -严;========f ++ SalJl* +8% 1 + IOq0^11 + 12%/,1* +14% 13= m
.J
(2)
过Λz点的切线方程为
9F , , t, BF
_i γ mm, γ I X,_/J — I I/ ο \
j Λ Aj / II4/ m/1 / 一 ^(^Oy
&φ··. ’
其中U，_F)为此切线上的任一点。把以上偏导式(2)代入式(3)得
-fx-iJJ+wf J-Jij= O
假定由P1 Cr1, T1)到光线和切线的交点P2 Cr2,乃)之间的距离为7，则P2点的坐标应满足以下关系P2点的坐标
(X2 = X1+^!⑷
1/2 =Jl+Ai
P2点应在切线上，所以Cr2,_72)满足切线方程，即 将上面的x2，_f2的表达式(4)代入上式，求解7
-(i'|+0|1 -1|)+m() |+爲I -}r|) = 0
求得j = 3Zii_ ,代入尸2点得到&点的坐标。把&作为新的近似解，重新计算下
^rAm
去，直到Ijf- Jj小于预定的一个小量为止。 (2)求投射点法线方向的单位向量#
如图6所示，投射点坐标为曲面Ffxfy) = O上任意一点法线方向上单位向量(外法线方向)的方向余弦为
-F!-P;
Hm = —F^—' Ar "圖…丨丨丨;...................................................................................................
代入偏导后得
%=六，‘=命
(3)求反射光线矢量么
反射定律向量公式为 4 X # = 4 X #
式中，为光线与高次曲面交点处的单位法向量，反射定律向量公式移项得 4-4>^=ο ,说明然平行，则以下公式必然成立
QrQi = #(5)
公式中g为一系数，将以上公式点积#得
(Qi ~Qi)^ = s
两个单位向量的点积等于此二向量夹角的余弦。设/为入射角，/Z为反射角，则
g = COSit - CQSl
反射时cos/ = -COS I，所以
I = -2 COSl(6)
咖 I = Q1 N = 1 % + 肌I，
由式(5)，得
Si =QrgN"⑴
其分量形式从以上推导过程可知，当一定时,反射光线方向的单位向量与g和及有关,而g亦是及的函数，所以是及的函数,而]9*是高次柱面参数c，( , ^ , , , , ^丨I的函数。因此只要合适的选择这些参数，就能使照射在高次曲面
上任一点处的光线反射后聚焦到一特定点上，达到聚焦目的。二、入射光束的孔径设置
图7入射太阳光束孔径示意图，图中叫=ZT1为聚光器下半部的入射光束孔径，OO2=H2为聚光器上半部的入射光束孔径，^必="为聚光器总的入射光束孔径。我们取A=90cm，尽=45cm，则总的入射光束孔径#=135Cm。入射光束孔径的大小决定了聚焦点的光能量密度。三、聚焦点位置的设置与高次方程的参数优化
如图 4所示，取聚焦点产'Cr'，χ' tan ^ ), χ' 二_50，P =25. 5°，则产(-50， 23. 8488)。如果投射点为ifXJ),则反射光线上的一点P' ' (x, ,i' ' )，χ'和y''的关系如下
y9 -y~τ!)~y — χ + 50J(8)
ajj , ￠2
y ' ' 与z ' tan θ =23.8488 的差 Φ·#作为评价量，即Lf = /- Λ #= 23.8488. 的绝对值愈小，反射光线聚焦愈好，的目标值为
O。从以上分析可以看出,#/是参数β2，,,% %!%,%%%，c的函数，可以用粒子群
算法对此进行优化。我们把作为粒子群优化算法中的适应度函数，其中i=l. 0,0. 85、
I
O.70,0. 55,0. 40,0. 25,0. 10,分别为入射光线在-I. 0^,-0. 85"”-。· 70^,-0. 55^,-0.W1^-O. 25^,-0. KW1 入射高或在 I. (W2、0. 85尽、O. 70尽、0· 55尽、O. 40尽、0· 25尽、O. 1(W2入射高的■^^/值；把5|，C作为粒子群中每一个粒子的位置矢量，用粒子群算
法寻找ΣΔ> 的最小值，ΣΔΥ最小值的粒子位置矢量就是使反射光束聚焦在与高次柱面
j
母线平行的宽度很窄的线段上的高次柱面方程的参数。表I和表2分别记录了聚光镜上、下半部分高次方程参数的优化结果以及部分 的数值。表中的-I. 00X0、-O. 85Xg等表示入射光线在如i上的入射高，I. OOX尽、
O.85Xiy2等表示入射光线在OO2上的入射高。从表I中看出的最大值和最小值之间相差O. 1809cm,从表2中看出 /的最大值和最小值之间相差O. 8065cm。也就是说，聚焦光束的宽度小于lcm，压缩比约为135/0. 8605 ^ 157倍。图8是聚光镜上半部分对太阳光束聚焦的计算机模拟；图9是聚光镜下半部分对太阳光束聚焦的计算机模拟；图10是整个聚光镜对太阳光束聚焦的计算机模拟，图中由于上下两半部分的模拟都用了 21条光线，而上半部分"2=45cm，下半部分A=90cm，所以上半部分的光线较密
权利要求
1.一种高次柱面反射型太阳能聚光镜，它是一个高为L侧面由下面方程决定的高次柱面的一部分 -=—η—τ---+%y* +%/ +%/+%/+%^2+%/4+Vw 1+4-/σγι+y 这里，z为柱面的弯曲量，c为高次柱面顶点的曲率半径,^， 為, , % 是高次柱面方程参数，调节参数％，C和入射光的入射方向是决定高次柱面起何种作用的关键，当宽为z高为#的入射太阳光束以单位矢量iJ#os和祕OyK入射光与Z轴成θ角，0=25. 5°)入射到高次柱面内壁上时，只要高次柱面方程的这些参数为某一组特定数值时，则入射光束被反射后都聚焦在一条过P' Cr'tan ^，z)点且与高次柱面母线平行的宽度很窄的线段上，其中O彡z彡Z，X'为离开顶点的沿I轴负方向的距离。
2.根据权利要求I的一种高次柱面反射型太阳能聚光镜，其特征在于高次柱面上任一点处的反射光线单位矢量
3.根据权利要求I的一种高次柱面反射型太阳能聚光镜，其特征在于任一反射光线上一点产,{x' , y' ' , z),y''与？的关系为
4.根据权利要求I的一种高次柱面反射型太阳能聚光镜，其特征在于任一反射光线上一点P ' {x' , y' ' , z)与理想聚焦点
5.根据权利要求I的一种高次柱面反射型太阳能聚光镜，其特征在于:把
6.根据权利要求I的一种高次柱面反射型太阳能聚光镜，其特征在于把高次柱面以Zfl 面为分界面，_7>0部分称为上半部分，入射光束孔径/Z2，属于一个高次方程，_κο部分称为下半部分，入射光束孔径K，属于另一个高次方程，这两个高次方程的参数h，运用粒子群算法得到的这些参数数据包含在表I、表2中
全文摘要
本发明涉及一种反射并聚焦太阳能的装置，特别是把太阳光束聚焦在一条线段上以便使其得以更广泛应用的反射镜，属于太阳能技术及利用领域。它是一个对太阳光高反的高次柱面反射镜，高次柱面方程为 ,,C是高次柱面的参数，L为入射太阳光束宽度，H为入射太阳光束高度。其特征在于当平行于XOY面的入射太阳光束以与X轴成θ角入射到高次柱面内壁上时，适当的选择,,C这9个参数，可以使入射到高次柱面上宽为L高为H的太阳光束全部聚焦在一条与母线平行的宽度很窄的线段上。高次柱面反射镜具有结构简单，易于制造，价格便宜，压缩倍率高等优点，可以被广泛的应用于太阳能加热，太阳能干燥，太阳能发电等相关应用中。
文档编号G02B5/10GK102866491SQ201210392350
公开日2013年1月9日 申请日期2012年10月17日 优先权日2012年10月17日
发明者秦华, 刘汉法, 类成新, 武继江, 韩克祯 申请人:山东理工大学