面反射镜及其设计方法，其具体步骤 为：
[0059] 1、设计曲线
[0060] 光线等比投影
[0061] 设一束平行光入射到反射镜面上，经反射面反射后，出射光按投影径向长度等比 例的分配接收面上，如附图1所示。入射光线照射到反射镜的Cn-1和Cn点上，x方向的坐 标分别为xn-1和xn，经反射后，分别落在接收面的Rn-1和Rn点处，X'方向的坐标分别为 x' n-1和x' n，已知反射镜尺寸为L，光斑尺寸为D，根据等比分配有：
[0063] 矢量关系式
[0064]对于一个反射系统，要想求得反射面上的点，首先要建立自A点射向面元上M点的 入射光I、反射面元上的M点的法线方向nf?和经M点反射后到达接收面上F点的反射光R 三者之间的关系，如图2所示。一束入射光从A(xi，yi，zi)点射向反射面上的M(xm，ym， zm)点，其单位矢量为ni，经M点反射后到达接收面的F点（xf，yf，zf)，则入射光线I与R 可以表示为：
[0067] I与R的单位矢量为：
[0070] 根据矢量的运算法则，有：
[0072] 数值求解
[0073] 设反射单元单位法向量和单位反射光为
[0076] 根据矢量的数量积公式与矢量积公式，有
[0079] 由公式（1)和⑵联立可解得：
[0081] 因此，对于给定的平面反射单元（即给定的nf)，设入射光为一束平行光，单位矢 量为（1，〇,〇)，通过光线等比投影又可知反射光矢量，就可由式⑶求出R。
[0082] 根据方程计算结果，得到一条二维曲线，此曲线即作为旋转对称的母线。
[0083] 2、获得自由曲面
[0084] 采用数学建模的方式，通过Matlab对上述二维曲进行二次项拟合，可得到一个方 程，此方程即为母线方程。把母线方程输入到三维建模软件ProE，以母线的中心轴做为旋转 的中心轴，进行旋转对称获得自由曲面。
[0085] 具体在本实施例中，给定设计条件，反射镜口径3000 X 3000mm，反射镜中心点到接 收面距离为2000mm，光斑尺寸为100X 100mm，根据上述给定的条件进行二次项拟合的结果 如图3所述，拟合的结果为：
[0086] y = 0. 00012170x2-0. 00080485x+0. 12701752
[0087] 拟合常数R产1。
[0088] 根据上述曲线方程，旋转对称所得模型效果如图4所示。
[0089] 本发明的一种大口径旋转对称非成像自由曲面反射镜，是采用上述设计方法设计 的。
[0090] 实施例2
[0091] 对实施例1中给定条件所得自由曲面反射镜导入到光线追迹软件进行光学模拟， 模拟计算1〇〇万条光线，接收面上的辐照度图如图5所示，（a)为二维辐照度图，（b)为三维 辐照度分布图，从图中可以很明显的看出，在1 〇〇 X 100mm的范围内，光辐照度分布相当均 勾，最小福照度为68w/cm2,平均福照度为100w/cm 2。区间内最小福照度与平均福照度之比 做为光斑均匀性的评判标准，因此，本发明设计最后的均匀性为80. 9%。不考虑反射层材料 的损失，接收面的光学效率可以达到98. 7%。
[0092] 实施例3
[0093] 对实施例1中给定条件所得自由曲面反射镜面型进行接收角分析，当入射光偏移 时，光效也随之降低，两者关系如图6所示。定义当光效降低到0°的光效的90%时，此时的 入射光角度为接收角，设计的接收角度为0.41°。入射角度偏移，光效降低的同时，接收面 上的光强分布也随之变化，图7、图8、图9、图10所示的分别是入射角为0°、0. 2°、0. 4°、 〇. 6 °时所对应的光斑辐照度分布图。
[0094] 实施例4
[0095] 对实施例1中给定条件所得自由曲面反射镜面型进行公差分析，不考虑误差的情 况下，实施例2展示了反射镜面型可以获得较好的光斑，但是在实际的加工过程中，会产生 一定的加工误差，不同的误差，产生的光斑分布也不同。给定一个_〇. 1~〇. 3_波动变化 的误差，如图11所示，图12、图13为增加波动误差后的二维和三维辐照度分布图，从图中可 知，虽然光斑均匀性相比理论模型有所降低，但是从总体分布来看，最小辐照度为60w/cm 2， 平均辐照度为l〇〇w/cm2,均匀性依然有75%。
[0096] 以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，实施例所 示的也只是本发明的实施方式之一，实际的情况并不局限于此。所以，如果本领域的普通技 术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案 相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种大口径旋转对称非成像自由曲面反射镜的设计方法，其特征在于：通过想要获 得的均匀反射在接受面上的光斑，该光斑完全适应接受面的形状，基于非成像反射镜原理， 先设计获得一条二维曲线，然后将该二维曲线旋转对称获得一个自由曲面，此自由曲面即 为非成像自由曲面反射镜的曲面面型。2. 根据权利要求1所述的一种大口径旋转对称非成像自由曲面反射镜的设计方法，所 述的接受面为聚光光伏发电组件光电转换芯片的接受面。3. 根据权利要求2所述的一种大口径旋转对称非成像自由曲面反射镜的设计方法，所 述将二维曲线旋转对称的方法如下：采用数学建模的方式获得二维曲线的方程作为母线方 程，将母线方程输入到三维建模软件中，以母线的中心轴做为旋转的中心轴，进行旋转对称 获得自由曲面。4. 根据权利要求3所述的一种大口径旋转对称非成像自由曲面反射镜的设计方法，其 特征在于：其具体步骤为： 步骤一、设计曲线 光线等比投影 设一束平行光入射到反射镜面上，经反射面反射后，出射光按投影径向长度等比例的 分配接收面上，如附图1所示。入射光线照射到反射镜的Cn-I和Cn点上，X方向的坐标分 别为xn-1和xn，经反射后，分别落在接收面的Rn-I和Rn点处，X'方向的坐标分别为x'n-1 和X' n，已知反射镜尺寸为L，光斑尺寸为D，根据等比分配有：矢量关系式 对于一个反射系统，要想求得反射面上的点，首先要建立自A点射向面元上M点的入射 光I、反射面元上的M点的法线方向nf和经M点反射后到达接收面上F点的反射光R三者 之间的关系，如图2所示。一束入射光从A(xi，yi，zi)点射向反射面上的M(xm，ym，zm)点， 其单位矢量为ni，经M点反射后到达接收面的F点（xf，yf，zf)，则入射光线I与R可以表 示为：I与R的单位矢量为：根据矢量的运算法则，有： 数值求解设反射单元单位法向量和单位反射光为根据矢量的数量积公式与矢量积公式，有由公式（1)和（2)联立可解得：因此，对于给定的平面反射单元（即给定的nf)，设入射光为一束平行光，单位矢量为 (1，〇,〇)，通过光线等比投影又可知反射光矢量，就可由式（3)求出R。 根据方程计算结果，得到一条二维曲线，此曲线即作为旋转对称的母线。 步骤二、获得自由曲面 采用数学建模的方式，通过Matlab对上述二维曲进行二次项拟合，可得到一个方程， 此方程即为母线方程。把母线方程输入到三维建模软件ProE，以母线的中心轴做为旋转的 中心轴，进行旋转对称获得自由曲面。5. -种大口径旋转对称非成像自由曲面反射镜，其特征在于：其是采用权利要求1至4 任意一种方法设计获得的。
【专利摘要】本发明公开了一种大口径旋转对称非成像自由曲面反射镜及其设计方法，属于聚光光伏发电技领域。本发明通过想要获得的均匀反射在接受面上的光斑，该光斑完全适应接受面的形状，基于非成像反射镜原理，先设计获得一条二维曲线，然后采用数学建模的方式，对上述二维曲进行二次项拟合，可得到一个方程，该方程作为母线方程，将母线方程旋转对称获得一个自由曲面，此自由曲面即为非成像自由曲面反射镜的曲面面型。本发明既能得到均匀光斑又可以使大口径反射镜的加工工艺得到简化，以达到精度更高的面型，光辐照度均匀，提高光电转换效率。
【IPC分类】G02B27/00, G02B19/00
【公开号】CN104898264
【申请号】CN201510388780
【发明人】黄启禄
【申请人】日芯光伏科技有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月30日