《一种用于聚光系统的非成像二次反射镜.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种用于聚光系统的非成像二次反射镜.pdf（11页完整版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 104297826 A (43)申请公布日 2015.01.21 C N 1 0 4 2 9 7 8 2 6 A (21)申请号 201410495798.1 (22)申请日 2014.09.24 G02B 5/10(2006.01) (71)申请人华中科技大学 地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路 1037号 (72)发明人程强 周正 柴家乐 宋金霖 吴昊 (74)专利代理机构华中科技大学专利中心 42201 代理人李智 (54) 发明名称 一种用于聚光系统的非成像二次反射镜 (57) 摘要 本发明公开了一种用于聚光系统的非成像二 次反射镜，其通过确定二次反。
2、射镜的母线参数，使 得其能够将入射到一次抛物面的平行于轴线的 光反射后汇聚到接收器上并形成均匀分布的圆 斑，其特征在于，该非成像二次反射镜为凸型的 非成像二次反射镜或凹型的非成像二次反射镜， 其中，所述凸型的非成像二次反射镜设置在聚光 系统的初级抛物面聚光器的焦点的上方，其曲面 母线方程为： 凹型的非成像二次反射镜设置在聚光系统的初级 抛物面聚光器的焦点的下方，其曲面母线方程为 本发明的二 次反射镜用于聚光系统中，其对太阳光进行反射， 可以实现聚光系统接收器的暗区消除并使接收器 获得均匀的热流分布。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书6页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产。
3、权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书6页 附图3页 (10)申请公布号 CN 104297826 A CN 104297826 A 1/1页 2 1.一种用于聚光系统的非成像二次反射镜，其通过确定二次反射镜的母线参数，使得 其能够将入射到一次抛物面的平行于轴线的光反射后汇聚到接收器上并形成均匀分布的 圆斑，从而实现聚光系统接收器的暗区消除并使接收器获得均匀的热流分布，其特征在于， 该非成像二次反射镜为凸型的非成像二次反射镜或凹型的非成像二次反射镜，其中， 所述凸型的非成像二次反射镜设置在聚光系统的初级抛物面聚光器的焦点的上方，其 曲面母线方程为： 其中， 所述凹型的非成像二次反射。
4、镜设置在聚光系统的初级抛物面聚光器的焦点的下方，其 曲面母线方程为： 式中， 上述各式中，L是初级抛物面的焦距，R是抛物面的开口半径，r是抛物面底部开口半 径，a为接收器半径。 2.根据权利要求1所述的一种用于聚光系统的非成像二次反射镜，其中，所述凸型的 非成像二次反射镜的母线方程中，其初始条件为 3.根据权利要求1或2所述的一种用于聚光系统的非成像二次反射镜，其中，所述凹型 的非成像二次反射镜的母线方程中，其初始条件为 权 利 要 求 书CN 104297826 A 1/6页 3 一种用于聚光系统的非成像二次反射镜 技术领域 0001 本发明属于聚光太阳能发电技术领域，具体涉及一种用于一次镜。
5、为抛物面的二次 聚光系统中的非成像二次反射镜，适用于聚光光伏、光电系统等。 背景技术 0002 二次光学元件广泛应用于光学系统中，它们可以改变入射到初级反射镜上的光线 的路径而达到获得更高聚光比的热流分布的效果，二次光学元件同时也是光学系统设计中 主要的部件之一。 0003 在聚光太阳能发电系统中，二次反射镜是非常常见的元件。聚光太阳能发电系统 是采用反射镜把太阳光反射并聚集到接收器，该接收器能够聚集太阳能并将其转换为热 能，利用这种热能产生的热蒸汽，推动涡轮发动机，丛而驱动发电机发电，满足电力需求。太 阳能到电能的高效率转换特性，使得聚光太阳能发电技术成为具有吸引力的可再生能源项 目。该系统。
6、主要有抛物面槽式系统、线性菲涅尔反射器系统等形式。一般的系统主要由接 收器，反射镜等组成，一般设计中一次抛物面主要设计成抛物面形式。传统的聚光太阳能 发电系统如图1所示，有凸型和凹型之分。图1(a)和1(b)分别展示的是传统凹型和凸型 的二次反射镜，图中可以看到，由于成像二次反射镜的作用，光伏电池板上产生了一个环形 像，中间会有部分电池没有接收到光照。 0004 其中，二次反射镜是一般聚光太阳能发电系统中设计的重点，其作用是把来自于 一次反射镜的光线反射到接收器上，以达到光线汇聚的效果。现在的二次反射镜设计主要 存在两大问题，一是二次反射镜上存在暗区问题，这个暗区使得接收器的性能大打折扣；二 。
7、是虽然暗区问题解决了，但接收器上得到的辐射强度非常不均匀，这对光伏电池非常不利， 甚至会对其造成损害，严重降低电池寿命。 发明内容 0005 针对现有技术的以上缺陷或改进要求，本发明提供了一种非成像二次反射镜及其 设计方法，旨在解决聚光系统中由于二次反射镜而导致的接收器的阴影区域以及其辐射强 度不均匀问题。 0006 按照本发明的一个方面，提供一种用于聚光系统的非成像二次反射镜，其通过确 定二次反射镜的母线参数，使得其能够将入射到一次抛物面的平行于轴线的光反射后汇聚 到接收器上并形成均匀分布的圆斑，从而实现聚光系统接收器的暗区消除并使接收器获得 均匀的热流分布，其特征在于，该非成像二次反射镜为。
8、凸型的非成像二次反射镜或凹型的 非成像二次反射镜，其中， 0007 所述凸型的非成像二次反射镜设置在聚光系统的初级抛物面聚光器的焦点的上 方，其曲面母线方程为： 0008 说 明 书CN 104297826 A 2/6页 4 0009 其中， 0010 所述凹型的非成像二次反射镜设置在聚光系统的初级抛物面聚光器的焦点的下 方，其曲面母线方程为： 0011 0012 式中， 0013 上述各式中，L是初级抛物面的焦距，R是抛物面的开口半径，r是抛物面底部开口 半径，接收器直径的半径为a，x,y分别为方程的自变量和因变量。 0014 作为本发明的改进，所述凸型的非成像二次反射镜的母线方程中，其初始。
9、条件为 0015 作为本发明的改进，所述凹型的非成像二次反射镜的母线方程中，其初始条件为 0016 本发明的一种优化的非成像二次反射镜可以在消除暗区的基础上进一步提升接 收器的光流分布的均匀性。 0017 本发明的二次非成像反射镜中，二次反射镜的设计参数主要是由初级抛物面的参 数确定，而与其他因素无关。本发明的二次反射镜包括凸型和凹型。两者的不同在于，凹型 的NIS被安装在初级抛物面聚光器焦点的下方，而凸型的刚好相反。两种反射镜的曲面由 微分方程描述，他们都能消除暗区并使接收器获得均匀的热流分布。 0018 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效 果： 0019。
10、 (1)能够有效得消除接收器上的阴影区域； 0020 (2)在消除阴影区的基础上，进一步使接收器获得了均匀的热流分布。 附图说明 0021 图1是传统的凹型和凸型抛物面成像的二次反射镜结构示意图。 0022 图2是两种优化的二次反射镜光路图，其中(a)为凸型二次反射镜、(b)为凹型二 次反射镜的结构示意图。 0023 图3是接收器上的热流分布，其中(a)为凸型，(b)为凹型。 说 明 书CN 104297826 A 3/6页 5 具体实施方式 0024 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施案例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用。
11、以解释本发 明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征 只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。 0025 二次反射镜可以为凸型和凹型。 0026 凸型的非成像二次反射镜(NIS)见图2-(a)，在该图中NIS被安装在初级抛物面聚 光器焦点的下方。已知的点的坐标如下： 0027 0028 其中，L是初级抛物面的焦距，R是抛物面的开口半径，r是抛物面底部开口半径， 其中接收器直径的半径OP等于a。假设有任意一根光线，投影到初级反射镜同时与对称 轴的距离为L 1 ，然后被反射到NIS上的点E，最后投影到接收器上的M点，M与对称轴的距 离为L 2 。为了获得接收器。
12、上均匀的聚光光流分布，接收器上由OM围成的圆形面积与整个 接收器面积之比应该等于初级反射镜上外径为L 1 的环形面积与整个面的环形面积之比： 0029 0030 假设E点的坐标是(x,y)，EF与初级抛物面反射镜的交点是M。其中M点的坐标 可以通过计算EF与抛物面的方程得到： 0031 0032 0033 由于L 1 与X相等，那么L 1 可以表示如下： 0034 0035 假设y是点E的导数，那么它也是曲线CD在点E的切线。EM的斜率为k EM ，同时 反射光EM的斜率为k。那么根据反射定律，这些斜率还有切线应该满足下面的到角公式： 0036 0037 其中k EM (y-L)/x。从方程(。
13、5)，可以得到EM的斜率k的表达式： 0038 0039 其中M是EM与线PP的交点。因此解EM和PP的方程就可得到M点： 0040 Y-yk(X-x) (7) 说 明 书CN 104297826 A 4/6页 6 0041 0042 那么L 2 的表达式可以表达如下： 0043 0044 将式子(4)和(9)代入式子(1)，同时图2-(a)中的形状为凸形，导数y应该为正 数，那么一个一阶微分方程可以得到如下： 0045 0046 其中上式中的表达式如下： 0047 0048 从方程(10)，可以发现一个固定的NIS完全是由初级反射器的参数决定的。此外， 迭代计算的初始条件可以是D也可以是C点。
14、。例如，如果选择点D在线BD上作为方程(10) 的初始条件，那么该微分方程的一个初始条件可以由以下式子描述： 0049 0050 其中x 0 为点D的横坐标。根据式(10)和(12)即可得到了描述凸型NIS的数学 方程，由该方程加工得到的反射镜能够完美解决抛物面上暗区问题，同时可以得到均匀的 热流分布。 0051 与凸形优化非成像二次反射镜将光线全部反射到同侧不同，凹型二次反射镜将光 线反射到接收器另外一面，如图2-(b)所示。同样的假设有任意一根光线，投影到初级反射 镜同时与对称轴的距离为L 1 ，然后被反射到NIS上的点E，最后投影到接收器上的M点，M 与对称轴的距离为L 2 。为了获得接。
15、收器上均匀的聚光光流分布，接收器上由OM围成的圆 形面积与整个接收器面积之比应该等于初级反射镜上外径为L 1 的环形面积与整个面的环 形面积之比： 0052 0053 假设点E的坐标是(x,y)，同样的EF和初级抛物面反射器的交点为M。那么M点 的坐标可以通过计算下面的线EF和抛物线AB的方程得到： 0054 0055 说 明 书CN 104297826 A 5/6页 7 0056 这是L 1 -X，那么距离L 1 可以由以下式子获得： 0057 0058 假设y是点E的导数，那么它同样是点E在弧线CD的切线。那么投入光线EM的 斜率是k EM 。那么根据反射定律，斜率和切线应该满足以下表达式。
16、： 0059 0060 其中k EM (y-L)/x。从方程(17)式，k的表达式可以如下获得： 0061 0062 其中M点是先EM和PP的交点。因此M可以由以下的式子联立解得： 0063 Y-yk(X-x) (19) 0064 0065 那么L 2 的表达式可以如下表示: 0066 0067 将式(16)和(21)代入式子(13)，同时注意到导数y应该为负数。最后凹型优化 非成像二次反射镜的母线可以表示为： 0068 0069 其中函数可以表示为： 0070 0071 该微分方程的初始条件，如果选择线AC上的点C，那么它可以被表达成： 0072 0073 根据式(22)和(24)，这样就得。
17、到了描述凹型NIS的数学方程，由该方程加工得到 的反射镜能够完美解决抛物面上暗区问题，同时可以得到均匀的热流分布。 0074 由于方程(10)和(22)都很难得到一个解析解，可以采用龙塔库塔法来计算这两 种优化非成像二次镜的母线。值得指出的是用于描述凹形的方程(22)在参数a很小，也就 是聚光比较大的时候是没有实数解的。这是因为凹形的二次反射镜对光线有发散的作用。 因此在聚光比很高的时候，凹形是不存在的。另一方面，方程(10)描述的凸型在接收器尺 说 明 书CN 104297826 A 6/6页 8 寸较大的时候，也就是聚光比较低的时候是没有实数解的。这是因为凸型镜对光线有种汇 聚作用。因此，。
18、凹形设计在低聚光比中，凸型设计在高聚光比中。 0075 图3则是不同聚光比下的热流分布，其中(a)图是适用于低聚光比的凸型NIS产 生的结果，(b)图则是适用于高聚光比的凹型NIS产生的结果。两种NIS都能得到较为理 想的均匀的热流分布，特别是对于凸型NIS来说。优化后的非成像二次反射镜，最可能应用 的领域应该是聚光光伏(CPV)系统，因为聚光光伏系统由于封装的需要，往往采用电池朝 上的方式。非成像二次反射镜恰好满足这个条件。此外，非成像二次反射镜也有可能用于 太阳能热系统中，比如斯特林发动机等。 0076 以上所述仅为本发明的较佳实施范例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的 精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 说 明 书CN 104297826 A 1/3页 9 图1(a) 图1(b) 说 明 书 附 图CN 104297826 A 2/3页 10 图2(a) 图2(b) 说 明 书 附 图CN 104297826 A 10 3/3页 11 图3(a) 图3(b) 说 明 书 附 图CN 104297826 A 11 。