一种变聚光比聚光镜、变聚光比聚光系统及其设计方法

本发明涉及太阳能利用，具体涉及一种变聚光比聚光镜、变聚光比聚光系统及其设计方法。

背景技术：

1、由于人类社会工业化快速发展，化石能源的使用造成了严重的环境问题威胁人类的生存。因此，开发和利用以太阳能为代表的可再生能源是实现可持续发展的必然选择。太阳能作为一种清洁的可再生能源，受到了社会各界的关注。经过十多年的发展，太阳能的应用主要集中在光伏发电、太阳能热利用、海水淡化、光催化制氢和光催化降解污染物等领域。然而由于太阳能能流密度较低，太阳能的应用一直受到限制。聚光器的出现为太阳能的发展提供了新的途径。当前的聚光器按照运行方式可分为跟踪式聚光器和固定式聚光器，其中以槽式、碟式、菲涅尔式为代表的跟踪式聚光器可实现高倍率聚光，但是需要高精度的太阳跟踪装置投资成本高，且无法收集散射光。以复合抛物面聚光器为代表的固定式聚光器具有较大的光线接收范围，无需昂贵的太阳跟踪设备，可实现直射光和散射光的收集。复合抛物面聚光器也被认为是最佳的固定式太阳能收集器，常见的复合抛物面聚光器主要有平板式、竖直双平面式、三角式以及圆管式，可适用于多种太阳能应用领域。

2、目前，传统的复合抛物面聚光器的聚光镜均为定聚光比聚光镜(即沿长度方向聚光镜的聚光比为定值)，导致当光线入射角度平行于光通孔法线入射时，接收装置的表面沿长度方向能流密度值相同，难以满足多元化工业需求。例如，当接收装置为光伏光热一体化系统时，采用定聚光比复合抛物面聚光镜将导致光伏表面沿冷却通道方向存在明显的温度梯度，并在出口处存在高温区域，降低了光伏的性能。此外，大部分学者对传统的复合抛物面聚光镜采用定聚光比截断以提高其经济性，但这种传统的截断方法会降低聚光器的光学效率。为此，鉴于上述存在的问题，根据接收装置对能流密度分布的实际需求来开发适配型的变聚光比聚光装置，并在不影响光学效率的前提下，降低反射镜的投资成本和减小聚光镜承受的风载荷提高系统运行的安全性，显得非常有必要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种变聚光比聚光镜、变聚光比聚光系统及其设计方法，旨在提高聚光系统的光学性能和调整光线接收装置表面能流分布以适应多元化工业生产需求。

2、本发明采用的技术方案为：

3、一种变聚光比聚光镜，所述变聚光比聚光镜为对称式非等高抛物面聚光镜，包括若干个侧部依次连接的抛物面聚光镜段，各抛物面聚光镜段的下端平齐且相连，各抛物面聚光镜段的上端高度不同。

4、按上述方案，所述变聚光比聚光镜为变聚光比复合聚光镜，包括相连的圆弧反射镜和非等宽抛物面聚光镜；所述圆弧反射镜的外端与非等宽抛物面聚光镜的内端相连；所述非等宽抛物面聚光镜的宽度不相等。

5、一种变聚光比聚光系统，包括如上所述的变聚光比聚光镜、光线接收装置和支撑装置；所述支撑装置设于底部；所述变聚光比聚光镜安装于支撑装置上；所述光线接收装置水平设于变聚光比聚光镜的顶部或底部；所述光线接收装置与变聚光比聚光镜之间设有光通孔，作为光线入口，入射光线经光通孔进入后经变聚光比聚光镜反射进入光线接收装置。

6、按上述方案，所述变聚光比聚光系统为平板对称式变聚光比复合抛物面聚光系统，所述变聚光比聚光镜为对称式非等高抛物面聚光镜，所述光线接收装置水平设于变聚光比聚光镜的底部，且变聚光比聚光镜有两组，对称分设于光线接收装置的内外两端，变聚光比聚光镜的下端与光线接收装置的内外端部相连，变聚光比聚光镜的上端与支撑装置相连；其中，位于光线接收装置内端的变聚光比聚光镜焦点位于所述光线接收装置的外端边线上，位于光线接收装置外端的变聚光比聚光镜焦点位于所述光线接收装置的内端边线上；两个变聚光比聚光镜之间形成光通孔5a，作为平板对称式变聚光比复合抛物面聚光系统的光线入口。

7、按上述方案，所述变聚光比聚光镜的各抛物面聚光镜段的下端与所述光线接收装置相连；所述变聚光比聚光镜的上端整体呈矩形齿状结构。

8、按上述方案，所述变聚光比聚光系统为单面非对称式变聚光比复合抛物面聚光系统，所述变聚光比聚光镜为变聚光比复合聚光镜，所述光线接收装置设于变聚光比聚光镜的顶部，所述支撑装置的顶部安装变聚光比聚光镜；所述变聚光比聚光镜的圆弧反射镜的内端与光线接收装置的内端相连，所述圆弧反射镜的外端与非等宽抛物面聚光镜的内端相连，非等宽抛物面聚光镜的外端边线与光线接收装置的外端边线之间形成光通孔5b，作为单面非对称式变聚光比复合抛物面聚光系统的光线入口；所述圆弧反射镜的弧心落在上述光线接收装置的外端边线上；所述非等宽抛物面聚光镜的焦点落在所述光线接收装置的外端边线上。

9、按上述方案，所述光线接收装置的外端位于非等宽抛物面聚光镜的上方，光线接收装置的外端通过斜向撑杆与支撑装置相连；光线接收装置面向变聚光比聚光镜。

10、本发明还提供了一种基于如上所述变聚光比聚光系统的变聚光比聚光镜的设计方法，该方法为：

11、沿光线接收装置长度方向的中心线为z轴，沿z轴方向将非等高抛物面聚光镜4a等距离离散为n个非等高抛物面聚光镜段，n为大于等于2的整数；

12、以光线接收装置前侧宽度的中点为原点o1，构建空间笛卡尔坐标系，沿水平方向设置正交的x轴和z轴，以竖直方向为y轴；若第1个非等高抛物面聚光镜段的长度为li，则第1个非等高抛物面聚光镜段由第1个非等高定抛物线段沿z轴负方向延伸li而形成；对于第i个非等高抛物面聚光镜段，将原点o1沿z轴负方向移动(i-1)×li的距离得到第i个非等高抛物面聚光镜段的空间笛卡尔坐标系原点oi；若第i个非等高抛物面聚光镜段的长度为li，则第i个非等高抛物面聚光镜段由第i个非等高抛物线段沿z轴负方向延伸li而形成；

13、第i个非等高抛物线段在x-y平面上的方程为：

14、

15、

16、k＝βi-βi+1,i+1∈[2,n]，                   (3)，

17、第i个非等高抛物面聚光镜段的高度hi为：

18、

19、第i个非等高抛物面聚光镜段的聚光比ci为：

20、

21、平板对称式变聚光比复合抛物面聚光系统的聚光比cvgcr为：

22、

23、在公式(1)中，xi为第i个非等高抛物线段横坐标的参数方程；yi为第i个非等高抛物线段纵坐标的参数方程；w为光线接收装置的宽度，单位为m；l为变聚光比聚光系统的长度，单位为m；θc,i为第i个非等高抛物面聚光镜的极角，单位为°；θa为平板对称式复合抛物面聚光镜的最大接收半角，单位为°；

24、在公式(2)中，βi定义为第i个非等高抛物面聚光镜段的高度hi与平板对称式复合抛物面聚光镜的高度h之比；

25、在公式(3)中，βi+1为第i+1个非等高抛物面聚光镜段的高度hi+1与平板对称式复合抛物面聚光镜的高度h之比；k为变化率；

26、在公式(4)～(6)中，ci为第i个非等高抛物面聚光镜段的聚光比，该值不小于1；θa,i为第i个非等高抛物面聚光镜段的最大接收半角，单位为°；θa为平板对称式复合抛物面聚光镜的最大接收半角，单位为°；cvgcr为平板对称式变聚光比复合抛物面聚光系统的聚光比；aplane为光线接收装置的接收面积，单位为m2；

27、当βi≠0且k>0时，非等高抛物面聚光镜的最大聚光比为[2(1+sin(θa))sin(θa,1)/1-cos(θa+θa,1)]-1，非等高抛物面聚光镜的最小聚光比为[2(1+sin(θa))sin(θa,n)/1-cos(θa+θa,n)]-1，平板对称式变聚光比复合抛物面聚光系统的聚光比为当n＝2时，非等高抛物面聚光镜段的个数为2，此时第i个非等高抛物面聚光镜段的长度为变聚光比聚光镜长度的一半；当n趋于∞时，变聚光比聚光镜的上端面趋于一条光滑的曲线，此时非等高抛物面聚光镜段的个数趋于∞，第i个非等高抛物面聚光镜段的长度趋于0；当n介于2到∞之间时，变聚光比聚光镜的上端面呈矩形齿状，并随着n的增大，上端面的形状逐渐由矩形齿状过渡到光滑曲线。

28、本发明还提供了一种基于如上所述变聚光比聚光系统的变聚光比聚光镜的设计方法，该方法为：

29、以圆弧反射镜外端与非等宽抛物面聚光镜内端的相交线为z轴，沿z轴方向分别将圆弧反射镜和非等宽抛物面聚光镜4b等距离离散为n个圆弧反射镜段和n个非等宽抛物面聚光镜段，n为大于等于2的整数；

30、以最前侧第1个圆弧反射镜段与第1个非等宽抛物面聚光镜段的交点位置为原点o1，构建空间笛卡尔坐标系，沿水平方向设置正交的x轴和z轴，以竖直方向为y轴；若第1个圆弧反射镜段的长度为li，则第1个圆弧反射镜段由第1个圆弧线段沿z轴负方向延伸li而形成；若第1个非等宽抛物面聚光镜段的长度为li，则所述第1个非等宽抛物面聚光镜段由第1个非等宽抛物线段沿z轴负方向延伸li而成；将原点o1沿z轴负方向移动(i-1)×li的距离得到第i个圆弧反射镜段与第i个非等宽抛物面聚光镜段的空间笛卡尔坐标系原点oi，若第i个圆弧反射镜段的长度为li，则第i个圆弧反射镜段由第i个圆弧线段沿z轴负方向延伸li而形成；若第i个非等宽抛物面聚光镜段的长度为li，则所述第i个非等宽抛物面聚光镜段由第i个非等宽抛物线段沿z轴负方向延伸li而成；

31、第i个圆弧线段在x-y平面上的方程为：

32、

33、沿z轴方向，第i个非等宽抛物线段在x-y平面上的方程为：

34、

35、第i个圆弧反射镜段和第i个非等宽抛物面聚光镜段的长度li为：

36、

37、第i个非等宽抛物面聚光镜段的聚光比ci为：

38、

39、单面非对称式变聚光比复合抛物面聚光系统的聚光比cvgcr：

40、

41、在公式(7)中，xi为第i个圆弧线段横坐标的参数方程；yi为第i个圆弧线段纵坐标的参数方程；在公式(8)中，xi为第i个非等宽抛物线段横坐标的参数方程；yi为第i个非等宽抛物线段纵坐标的参数方程；公式(7)～(11)中，w为光线接收装置的宽度，单位为m；l为变聚光比聚光系统的长度，单位为m；αi为中间参数，无单位；p为沿z轴方向αi的变化率；q、n、m为约束p的中间参数，无单位；z为整数集；θ为定位角，单位为°；θa为全尺寸单面非对称式复合抛物面聚光系统对应的标准三角型复合抛物面聚光系统的最大接收半角，单位为°；ci为第i个非等宽抛物面聚光镜段的聚光比，该值不小于1；cvgcr为单面非对称式变聚光比复合抛物面聚光系统的聚光比；aplane为光线接收装置的接收面积，单位为m2；

42、当αi＝0时，非等宽抛物面聚光镜的最小聚光比为1；当αi＝[2wcos(2θa)+2w]/sin(2θa)时，非等宽抛物面聚光镜的最大聚光比为[cos2(2θa)+2cos(2θa)+1]/[sin(2θa)tan(2θa)]+cos(2θa)+2，单面非对称式变聚光比复合抛物面聚光系统的聚光比为当n＝2时，非等宽抛物面聚光镜段的个数为2，此时第i个非等宽抛物面聚光镜段的长度为变聚光比聚光镜长度的一半；当n趋于∞时，变聚光比聚光镜的外端面趋于一条光滑的曲线，此时非等宽抛物面聚光镜段的个数趋于∞，第i个非等宽抛物面聚光镜段的长度趋于0；当n介于2到∞之间时，变聚光比聚光镜的外端面呈矩形齿状，并随着n的增大，外端面的形状逐渐由矩形齿状过渡到光滑曲线。

43、本发明还提供了一种如上所述变聚光比聚光系统的设计及制作方法，其特征在于，该方法为：

44、步骤一、设定光线接收装置的截面宽度；

45、步骤二、设计光线接收装置的长度，作为变聚光比聚光系统的整体长度；

46、步骤三、确定聚光比的取值范围，设计对应的变聚光比聚光镜；

47、步骤四、基于聚光比和截面宽度，制作对应的变聚光比聚光镜、光线接收装置和支撑装置，并安装。

48、本发明的有益效果为：

49、1、相较于传统的定聚光比聚光镜，本发明所述变聚光比聚光镜具有更高的光学效率和光线接收范围；变聚光比聚光镜在减少聚光镜面积的同时具有更小的风载荷，增加了装置运行的安全性；变聚光比聚光镜可应用于聚光光伏光热、光催化降解和海水淡化等太阳能利用领域，实现太阳能的全光谱、全辐射综合利用，具有非常广阔的实际应用前景。

50、2、本发明所述变聚光比聚光镜，可根据接收装置对能流密度分布的实际需求来调整变聚光比聚光镜的变化方式，以实现最佳的性能。聚光比可以按照固定的变化率改变，例如沿长度方向聚光镜段的聚光比单调递增或单调递减，同样也可以按照函数的形式变化，例如沿长度方向聚光镜段的聚光比以抛物线或双曲线等形式变化。

51、3、本发明给出了所述变聚光比聚光镜的设计方法，以复合抛物面聚光镜为例，给出了平板对称式和单面非对称式变聚光比复合抛物面聚光系统的详细设计过程和变聚光比聚光镜的通用数学表达式，为复合抛物面聚光装置的研究提供了新方向。

52、4、本发明所述变聚光比聚光系统的设计方法，可应用于现有聚光镜的优化，例如为进一步减少聚光镜承受的风载荷和扩大光线接收范围，可采用本发明所述的设计方法对现有的聚光系统进行变聚光比截去，以提高聚光系统的综合性能。