專利名稱：定點(diǎn)聚光反射鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及太陽(yáng)能利用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種太陽(yáng)定點(diǎn)聚光反射鏡。
技術(shù)背景現(xiàn)有太陽(yáng)能熱利用設(shè)備可分為槽式系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)和碟式系統(tǒng)3大基本類型， 槽式系統(tǒng)的吸光體固定，但其聚光比較小、熱效率低；塔式系統(tǒng)的聚光比大、熱效率高， 但其吸光體必須高于反射鏡，使其用途受到限制；碟式系統(tǒng)的聚光比較大、熱效率較高， 但其吸光體必須跟隨反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤太陽(yáng)，使其傳熱系統(tǒng)復(fù)雜。因此開(kāi)發(fā)一種聚光比較大、 熱效率較高，吸光體固定不動(dòng)，且吸光體可高于、低于或與反射鏡平行的太陽(yáng)能利用系統(tǒng) 成為當(dāng)務(wù)之急，我們稱之為定點(diǎn)聚光系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱點(diǎn)式系統(tǒng)；眾所周知點(diǎn)聚焦的聚光比大 于線聚焦，即點(diǎn)聚焦的吸光口面積較小，在同等溫度下吸光口面積越小所輻射出去的熱量 越少，所以點(diǎn)聚焦的熱效率高于線聚焦；點(diǎn)式系統(tǒng)的核心技術(shù)在于開(kāi)發(fā)一種聚光比較大、 聚光點(diǎn)固定、且聚光點(diǎn)可高于、低于或與反射鏡平行的反射鏡，我們稱之為定點(diǎn)聚光反射 鏡。申請(qǐng)?zhí)枮?00610200777.8的中國(guó)專利公開(kāi)了一種用自旋-仰角跟蹤方式和行列轉(zhuǎn)動(dòng)象
差修正法制造的太陽(yáng)爐，其方案要點(diǎn)是定日鏡的反射面是由多行及多列子鏡組成，吸光
體固定、定日鏡跟蹤太陽(yáng)的同時(shí)子鏡可以在行和列方向進(jìn)行軸向轉(zhuǎn)動(dòng)以對(duì)因太陽(yáng)光入射角
變化而造成的象位差作出修正；其發(fā)明點(diǎn)高、但本人不明白1、其定日鏡如何聚光？2、 子鏡軸彎曲且縱橫交錯(cuò)如何旋轉(zhuǎn)？ 3、各角度定義是否不清？；由于其子鏡在行和列軸向轉(zhuǎn) 動(dòng)，所以其構(gòu)造和跟蹤系統(tǒng)必定復(fù)雜
發(fā)明內(nèi)容
本申請(qǐng)要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種聚光比較大、聚光點(diǎn)固定、且聚光點(diǎn)可高 于、低于或與反射鏡平行并可布置成鏡陣的反射鏡。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本申請(qǐng)的定點(diǎn)聚光反射鏡是以一特定曲線為母線繞主軸旋轉(zhuǎn)并截 取一定面積而成，定點(diǎn)聚光反射鏡以下簡(jiǎn)稱反射鏡；跟蹤太陽(yáng)時(shí)、其繞主光軸旋轉(zhuǎn)H度，轉(zhuǎn) 角n = arc cos {{sin Y s cosh cosh。 sin ( Y s，) + (cos V s sin ho- sin W s cos Y s cosh。) [cos V s sin h-sin W s cosh cos (yl s) ]} X [cos2 h sin2 (下-Y s) + [cos W s sin h-sin w s cosh cos (r Y s) ]2 ] —'A X [cos2h0 sin2 Y s + (cos V s sin h0- sin W s coshocos Y s)2 ]_1/2 }，同時(shí)繞頂點(diǎn)P旋轉(zhuǎn)0.5 A e度， 射角差值厶e:e-eo，射角e = arc cos[sin W s sin h + cos cosh cos (7-Y s) ] ， ￡0為々臺(tái)起 位置射角，且定期對(duì)赤緯角差值A(chǔ) S進(jìn)行跟蹤，即當(dāng)主光軸方位角Ysi。時(shí)、反射鏡繞頂點(diǎn) P旋轉(zhuǎn)0.5AS， " = S_S0，赤緯角5=23.45 sin [360 X (284+n)/365]，式中n為從每年1 月1日起算的天數(shù)，Se為始起位置赤緯角，當(dāng)Ys^0。時(shí)、反射鏡繞主光軸旋轉(zhuǎn)ii度，使 主射面平行于太陽(yáng)光線，同時(shí)繞頂點(diǎn)P旋轉(zhuǎn)0.5A ￡度。所說(shuō)的特定曲線是Y^2a/(Z-B)拋 物線或是曲率半徑P大于0. 5 P Q小于2 P Q的聚光弧線、特別是下端點(diǎn)曲率半徑P >0. 5 P o、 上端點(diǎn)曲率半徑P〈2Po的圓滑聚光弧線，PQ=a/(l+tg2 cD)"2。
所說(shuō)的反射鏡是以一特定曲線為母線繞主軸旋轉(zhuǎn)一定角度、即截取一定寬度和高度而 成的雙曲面反射鏡，其最高點(diǎn)為上端點(diǎn)、最低點(diǎn)為下端點(diǎn)，反射鏡截面可以是橢圓或圓形； 母線旋轉(zhuǎn)軌跡可以是圓弧線、也可以是其他聚光弧線。拋物線Y^2a/(Z-B)中Y、 Z為坐標(biāo) 值，其O-XYZ坐標(biāo)系為過(guò)定點(diǎn)F作Z軸指向太陽(yáng)即為主軸，在Z軸上取FO/，過(guò)坐標(biāo) 原點(diǎn)O點(diǎn)作Z軸的垂線并指向北即為Y軸，即YOZ坐標(biāo)面平行于地軸，過(guò)0點(diǎn)作Y、Z 軸的垂線并指向西即為X軸；a、 B為常數(shù)，a=C0S(v+eZ(J)/tgcl)，常數(shù)B是拋物線頂點(diǎn) 到Y(jié)軸的距離，B=O.5/cos(￥+0 zo) 'tgO，或B^[卜sin(V+ezo)-cos2(nr+ezo)/2a]， /為焦距、所說(shuō)的焦距/是頂點(diǎn)P到定點(diǎn)F的距離；V為俯仰角，9 ZQ為始起位置天頂角， 在北半球可取6 zo為夏至正午時(shí)刻的天頂角、在南半球可取9 zo為冬至正午時(shí)刻的天頂角，
eZo=(p-s， (p為當(dāng)?shù)鼐暥龋贋橹髑芯€傾角，o=0.5(ho-v)、即主切線傾角o等于始起位
置高度角ho減去俯仰角v的一半，ho = 90°-eZ(); PQ=a/(l+tg2 0))3'2中a、 /、①的名稱等同上述。所說(shuō)的主軸是母線旋轉(zhuǎn)軸；所說(shuō)的聚光弧線可以是圓弧線、漸開(kāi)線、橢圓線、 阿基米德螺線、圓弧與拋物線的復(fù)合線等圓滑弧線，所說(shuō)的圓滑是指曲率半徑P逐漸變化 或不變。所說(shuō)的始起位置是設(shè)計(jì)安裝時(shí)設(shè)定正午時(shí)刻主軸對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)的位置，可以是夏至或 冬至正午時(shí)刻主軸對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)的位置；所說(shuō)的主光軸PF是經(jīng)頂點(diǎn)P反射的光線、也是反射鏡 旋轉(zhuǎn)軸，還是定點(diǎn)F與頂點(diǎn)P的連線；所說(shuō)的定點(diǎn)F是吸光體或?qū)Ч庹值奈饪谏系囊辉O(shè) 定點(diǎn)；所說(shuō)的吸光體是集熱用熱吸光設(shè)備，可以是平板集熱器或光伏電池板或鍋灶或鍋爐 或冶煉爐或反應(yīng)爐或處理爐等；所說(shuō)的導(dǎo)光罩是安裝于吸光體上面向反射鏡的聚光體；所 說(shuō)的吸光口是吸光體或?qū)Ч庹稚洗怪庇谥鞴廨SPF且過(guò)定點(diǎn)F的面；所說(shuō)的反射鏡頂點(diǎn)P是 反射鏡旋轉(zhuǎn)球心、即是反射鏡鉸接轉(zhuǎn)軸的鉸鏈軸線垂直主射面并在主射面內(nèi)所形成的點(diǎn)， 由于其鉸鏈很小、所以在說(shuō)明聚光原理時(shí)將頂點(diǎn)P當(dāng)成是在主射面內(nèi)特定曲線上的一個(gè)點(diǎn)， 反射鏡頂點(diǎn)P全文簡(jiǎn)稱頂點(diǎn)P:所說(shuō)的主射面是太陽(yáng)入射頂點(diǎn)P的射線與主光軸所組成的面， 即太陽(yáng)入射頂點(diǎn)P的射線與主法線所組成的面，入射面是太陽(yáng)射線與入射點(diǎn)法線所組成的 面；所說(shuō)的主法線是頂點(diǎn)P的法線，主切線是頂點(diǎn)P的切線。
本申請(qǐng)中的一些角度代號(hào)及定義和在北半球時(shí)的規(guī)定所說(shuō)的射角e是太陽(yáng)射線與主 光軸的夾角；所說(shuō)的天頂角0 z是太陽(yáng)射線與地平面法線的夾角；太陽(yáng)高度角h是太陽(yáng)射線 與其在地平面上的投影線的夾角，h= arc sin (sin 9 sin S +cos cp cos S cos co);太陽(yáng)方位角Y
是太陽(yáng)射線在地面上的投影線與正南方向的夾角，y=arCC0S(sinhsil7 —Si")，規(guī)定正南
cosh cos p
方為零，向西為正，向東為負(fù)；太陽(yáng)時(shí)角w是表示太陽(yáng)時(shí)的角度、每小時(shí)相當(dāng)于"=15°， 規(guī)定正午為零，上午為負(fù)，下午為正；赤緯角S是黃道平面與赤道平面的交角，規(guī)定太 陽(yáng)直射點(diǎn)在赤道以北為正，在赤道以南為負(fù)；主光軸方位角YS是主光軸PF在地平面上的 投影線與正南方向夾角，規(guī)定由P到F指向正南方為零，向西為正，向東為負(fù)；俯仰角V 是主光軸與地軸的夾角，即是YS^。時(shí)主光軸與地平面的夾角，主光軸傾角VS是主光軸與 地平面的夾角，規(guī)定定點(diǎn)F高于頂點(diǎn)P時(shí)為仰角V>0° 、 Vs>0° ，定點(diǎn)F低于頂點(diǎn)P時(shí)為俯 角V<0° 、 vs<0° ;主切線傾角①是主切線與Y軸的夾角；切線傾角人是切線與Y軸的夾 角；截射角^是太陽(yáng)射線與橫截面的夾角，5 = E+90°-e;有效射角有效光照時(shí)的射角 簡(jiǎn)稱有效射角、是設(shè)計(jì)時(shí)選定的、小于最大射角的一指定射角；主軸傾角0是￥=0°時(shí)主軸 與地平線的夾角，始起位置eo是主軸與地平線的夾角；所說(shuō)的轉(zhuǎn)角ri是始起位置的主射面 與即時(shí)主射面之間的夾角，即是反射鏡繞主光軸旋轉(zhuǎn)的角度，規(guī)定正午為零，上午為負(fù)， 下午為正。
轉(zhuǎn)角n的計(jì)算式由以下推論確立建立P-xyz坐標(biāo)系以頂點(diǎn)P為坐標(biāo)原點(diǎn)，x、 y軸 平行地面，X軸指向正南，y軸指向正西，Z軸指向天頂；設(shè)即時(shí)主射面為I，過(guò)P點(diǎn)的主 光軸旋轉(zhuǎn)面為II，始起位置的主射面為10，太陽(yáng)中心為A，且lPA卜l，貝IJ: P(O， 0， 0)、 F(/cos vs cos Y s， /cos W s sin Y s， /sinvs)、 A(lcoshcosy， lcoshsiny， 1 sin h)， 向量
尸i7 =/cos W s cos Y s i+/cos iy s sin Y s j+/sin w s k， =lcosh cos yi+ lcosh sin ■/j + lsin h k;
由于即時(shí)主射面平行于太陽(yáng)射線PA，所以面I的法線向量np^'^-na+my j + nlzk，
nix=l/ (cos W s sin Y s sin h-sin v s cosh sin y) ， niy=l/ (sin w s cosh cos rcos V s cos Y s sin h)， nlz=l/cos W s cosh (sin y cos Y s-cos y sin Y s) =1 /cos W s cosh sin (y- Y s);方定轉(zhuǎn)面II的法線向
量n2:戶F:ri2x i+n2y j+n2z k， n2x=/cos vs cos Y s' n2y=/cos sin Y s， n2z=/sinvs;兩面 交線U的向量sfn!'n^Sb(i+Siy j+slz k' slx=( nly n2z_ nlz n2y) ， sly=( nlz n2x-nlx n2z)，。 ， A0(lcosho， 0, lsinho) ， 。= lcosh。 i+ lsin ho k;
面Io的法線向量n 0= 0=n oxi+ n 0yj+ n 0zk， n 0x= 1/cos w s sin Y s sin h0,
n0y=l/ (sin V s cos h。- cos V s cos y s sin h0), n0z=-1/cos V s sin Y s cosh。，面I o面II交線L2的 向量s2=no*n2= s2x i + s2y j + s2z k， s2x=( n0y n2z_ n0z n2y)' s2y=( n0z n2x- n0x n2z)， S2z= ( nox n2y- n0y n2x); 向量si與s2的夾角既為轉(zhuǎn)角n ， cos il = Si s2/1 Si | | s21 ，將向量
^及S2的坐標(biāo)值代入并簡(jiǎn)化后得
n = arc cos {{sin Y s cosh cosho sin ( Y s-了) + (cos W s sin h。- sin V s cos Y s cosh。) [cos iy s sin h_ sin ￥ s cosh cos (r Y s) ]} X [cos2 h sin2 (y- Y s) + [cos V s sin h-sin v s cosh cos Oy- Y s) ]2 ] —14 X [cos2h0sin2 Y s + (cos V s sin ho-sin V s cosho cos Y s)2 ]飛}。因?yàn)樯浣莈是太陽(yáng)射線與主光軸
的夾角，所以cose:巧 ；S/|PA| |PF|，將^及刃的坐標(biāo)值代入并簡(jiǎn)化后得
e = arc cos [sin V s sin h + cos V s cosh cos Oy- Y s)]。
所說(shuō)的橫截面是垂直于主軸的面；橫載面平行于XOY坐標(biāo)面，在各橫載面內(nèi)反射鏡載 線是以Z軸與橫載面的交點(diǎn)為圓心的圓弧線，即反射鏡在XOY坐標(biāo)面上的投影是以坐標(biāo)原 點(diǎn)O為圓心的同心圓弧線；由于本申請(qǐng)是聚光反射鏡，所以在橫載面內(nèi)反射鏡還可以是以 定點(diǎn)F為聚光點(diǎn)的其他聚光弧線，此時(shí)始起位置反射鏡為點(diǎn)聚光。此外、若以Y2=2a/(Z-B) 拋物線為母線沿X軸運(yùn)動(dòng)即成槽式反射鏡。始起位置時(shí)因?yàn)橹鬏S對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，所以^=90°， 即太陽(yáng)射線在XOY坐標(biāo)面內(nèi)為一點(diǎn)；由反射定律得知鏡面上任意點(diǎn)的反射線必與該點(diǎn)的 法線和入射線共面于入射面，且入射角等于反射角；由于反射鏡是以特定曲線為母線繞Z 軸作圓弧旋轉(zhuǎn)而成鏡面，所以同一橫截面內(nèi)各點(diǎn)的入射角相等、反射角相等，所有入射面 與主射面相交于Z軸且垂直于XOY坐標(biāo)面，所以所有入射面內(nèi)各點(diǎn)的夾角與主射面內(nèi)相應(yīng) 各點(diǎn)的夾角相等。特定曲線為Y^2a/(Z-B)拋物線時(shí)，定點(diǎn)F是Z軸、任意點(diǎn)的法線及其 切線組成的直角三角形的中點(diǎn)，由于Z軸平行于太陽(yáng)射線，所以始起位置入射反射鏡的反 射光線肯定聚焦在定點(diǎn)F上；以下無(wú)特別說(shuō)明時(shí)、均以Y2=2a/(Z-B)拋物線為母線繞主軸 作圓弧線旋轉(zhuǎn)的鏡面來(lái)說(shuō)明論述反射鏡的聚光原理。由于定點(diǎn)F是吸光體或?qū)Ч庹稚系囊?定點(diǎn)，而導(dǎo)光罩安裝于吸光體上、吸光體及反射鏡安裝于地面上，所以定點(diǎn)F及頂點(diǎn)P相 對(duì)于地球固定不動(dòng)，即焦距/是一常數(shù)，定點(diǎn)F可高于、低于或平行于頂點(diǎn)P;由于地法線 垂直于地平線、俯仰角W是Ysi。時(shí)主光軸與地平面的夾角，所以當(dāng)〖=90°時(shí)、在YOZ坐 標(biāo)面內(nèi)主光軸與各橫截面的夾角等于V+8zo，由式Y(jié)^2a/(Z-B)得知、拋物線即母線的曲 率和斜率由常數(shù)a、 B決定，而常數(shù)a二cos(w+ezo)/i:gO、 B=0.5/cos( 9 z0) tgd>， 且ow.5(h(rv)、 h。= 90°-eZ()，而ezo，-S，當(dāng)定點(diǎn)F高于、低于或平行于頂點(diǎn)P時(shí)， 根據(jù)俯仰角W、焦距/、當(dāng)?shù)鼐暥萩p、及選定的赤緯角S值，通過(guò)計(jì)算確定常數(shù)a、 B值、從 而確定母線的曲率和斜率，使反射鏡各橫截面垂直于太陽(yáng)射線，從而使始起位置反射鏡聚 焦于定點(diǎn)F;即始起位置時(shí)反射鏡的聚光點(diǎn)固定、且聚光點(diǎn)可高于、低于或與反射鏡平行。 由于地球自轉(zhuǎn)和繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)引起太陽(yáng)光投射到反射鏡的射角變化，所以要用跟蹤裝置 驅(qū)動(dòng)反射鏡對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤設(shè)入射頂點(diǎn)P的太陽(yáng)射線旋轉(zhuǎn)了A ￡、使入射角增大了A e， 跟蹤太陽(yáng)時(shí)、反射鏡繞主光軸旋轉(zhuǎn)ri度，使主射面平行于太陽(yáng)光線，同時(shí)其主法線繞頂點(diǎn)P 在主射面內(nèi)旋轉(zhuǎn)0.5A ￡度，使入射角減小了0.5A s，即入射角實(shí)際增大了 0.5A e，由于 主法線旋轉(zhuǎn)了 0.5A e 、使反射角增大了 0.5A E ，由于始起位置頂點(diǎn)P的入射角等于反射 角、反射光線射向定點(diǎn)F，所以旋轉(zhuǎn)后即任意工況頂點(diǎn)P的入射角等于反射角、經(jīng)P點(diǎn)的反 射光線必將沿主光軸PF射向定點(diǎn)F。由于對(duì)射角e跟蹤時(shí)已包含對(duì)赤緯角S的跟蹤，但每天有效光照約10小時(shí)，即對(duì)射角s的跟蹤每天約10小時(shí)，所以還要對(duì)赤緯角S進(jìn)行另外 14小時(shí)的跟蹤，即定期對(duì)赤緯角差值A(chǔ) S進(jìn)行跟蹤，使反射鏡聚光于定點(diǎn)F;由此實(shí)現(xiàn)任 意工況時(shí)反射鏡的聚光點(diǎn)固定、且聚光點(diǎn)可高于、低于或與反射鏡平行。反射鏡跟蹤太陽(yáng) 過(guò)程有三種工況:一種是始起位置、此時(shí)e。^h。-P。、〖Q=90°，太陽(yáng)射線平行于主軸，反射 光線聚焦于定點(diǎn)F; —種是e < e Q、此時(shí)^ 〈90°, —種是e 〉 e Q、此時(shí)5 〉90°，后兩種工況反 射鏡均為聚光，即反射光線在吸光口上形成光斑；其光斑的大小與入射點(diǎn)到頂點(diǎn)P的距離 及射角差值成正比，即入射點(diǎn)與頂點(diǎn)P的距離越大、光斑距離越大，所說(shuō)的光斑距離是反 射光線與吸光口的交點(diǎn)與定點(diǎn)F的距離；射角差值越大光斑就越大。而光斑越大吸光口面 積越大，而吸光口的輻射散熱與吸光口面積成正比，即在吸光體同等溫度下吸光口面積越 大所輻射出去的熱量越多，即熱損失越大、吸光體熱效率越低；為縮小光斑即為了提高吸 光體的熱效率，可以通過(guò)控制入射點(diǎn)與頂點(diǎn)P的距離即控制反射鏡截面來(lái)控制吸光口面積 的大小。由于頂點(diǎn)P的光斑距離為零、而反射鏡端點(diǎn)與頂點(diǎn)P的距離最大，所以反射鏡截 面的大小是通過(guò)選擇端距比來(lái)確定，所說(shuō)的端距比是反射鏡端點(diǎn)到頂點(diǎn)P的距離與其光斑 距離之比；由于吸光體的使用溫度越高所要求的反射鏡聚光比越大，而聚光比與最小端距 比的平方成正比，即端距比越大聚光比越大，吸光體的熱效率越高，而反射鏡截面越小， 相對(duì)的跟蹤裝置成本越高，所以反射鏡截面的大小由吸光體的使用溫度來(lái)確定。為縮小光 斑還可以通過(guò)減小射角差值實(shí)現(xiàn)，由于最大最小射角都是射角差值的極值，所以可以以最 大與最小射角的平均值進(jìn)行設(shè)計(jì)；但由于最大射角時(shí)是太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣層路程的最大值， 所以本申請(qǐng)以有效射角與最小射角的平均值進(jìn)行設(shè)計(jì)，即以有效射角與最小射角的平均射 角為始起位置射角sQ;但有效射角是一指定值而非天體運(yùn)動(dòng)的特殊值，為便于計(jì)算和說(shuō)明、 一般以夏至或冬至正午時(shí)刻的射角為始起位置射角4，使射角差值最小化。
為了提高吸光體的熱效率還可以通過(guò)在吸光體上面向反射鏡的位置安裝一導(dǎo)光罩來(lái)實(shí) 現(xiàn)，即在吸光體與反射鏡之間安裝一導(dǎo)光罩來(lái)實(shí)現(xiàn)；導(dǎo)光罩是一圓或橢圓錐體、即其吸光 體上或靠近吸光體的端面即低面小于靠近反射鏡的端面，靠近反射鏡的端面即為吸光口 ， 導(dǎo)光罩軸線與主光軸及吸光口的法線三線合一，當(dāng)然也可以略有偏差；其低面及吸光口垂 直于主光軸PF，低面及吸光口上可以安裝平面玻璃或聚光透鏡，此時(shí)導(dǎo)光罩可抽成真空， 以杜絕導(dǎo)光罩的對(duì)流散熱；其錐面內(nèi)表面粘鍍反射膜，錐面外表面可加保溫層，以杜絕吸 光體通過(guò)導(dǎo)光罩向外散熱。由于任意工況時(shí)頂點(diǎn)P的反射線都沿主光軸射向定點(diǎn)F，而且導(dǎo) 光罩軸線與主光軸及吸光口的法線三線合一，所以頂點(diǎn)P的反射線必將沿導(dǎo)光罩軸線射進(jìn) 吸光體；由于任意工況時(shí)反射鏡都聚光于吸光口上的定點(diǎn)F，而且吸光口垂直于導(dǎo)光罩軸線、 導(dǎo)光罩錐面內(nèi)表面鍍有反射膜、導(dǎo)光罩的低面小于吸光口，所以反射鏡的反射線必將沿導(dǎo) 光罩軸線直接射進(jìn)吸光體、或經(jīng)導(dǎo)光罩錐面內(nèi)表面折射后射進(jìn)吸光體，使反射線再次聚光， 提高聚光比，從而提高吸光體的熱效率。
由于反射鏡的聚光點(diǎn)可高于、低于或與反射鏡平行，所以吸光體及反射鏡的安裝不受 地形限制，可以將多個(gè)反射鏡沿山體斜坡安裝成鏡陣、其前后左右反射鏡之間的反射線錯(cuò) 開(kāi)、互不遮擋，使多個(gè)反射鏡聚光于一個(gè)定點(diǎn)F，其吸光體低于反射鏡且在反射鏡的南面； 也可以將吸光體安裝在山頂或塔頂、使吸光體高于反射鏡，多個(gè)反射鏡在平地上布置成鏡 陣，使其前后左右反射鏡之間的反射線錯(cuò)開(kāi)、互不遮擋，使多個(gè)反射鏡聚光于一個(gè)定點(diǎn)F; 從而擴(kuò)大采光面積、提高單一吸光體的輸入功率，擴(kuò)寬太陽(yáng)能熱利用領(lǐng)域、使大功率單一 吸光體的太陽(yáng)能系統(tǒng)如太陽(yáng)能冶煉爐等得以實(shí)現(xiàn)。在北半球布置鏡陣系統(tǒng)時(shí)、吸光體在
反射鏡的南面，鏡陣中只有一列反射鏡與吸光體為正南北布置，即其主光軸方位角ys^。，
其余各列反射鏡YS^0、由于本申請(qǐng)的反射鏡是在一平行于地軸的YOZ坐標(biāo)面內(nèi)建立一 特定曲線、并以其為母線繞指向太陽(yáng)的主軸旋轉(zhuǎn)截取一定面積而成，所以YS^O。的各列反射鏡的母線與YOZ坐標(biāo)面內(nèi)的特定曲線相同，始起位置其任意一點(diǎn)的S 0=90°，即始起位置 任意一列反射鏡都聚焦或聚光于定點(diǎn)F，只是始起位置y 3=0°的反射鏡其主射面垂直于地平 面，而YS^(T的反射鏡其主射面傾斜于地平面。跟蹤太陽(yáng)時(shí)、所有反射鏡主射面繞各自主 光軸旋轉(zhuǎn)il度，(不同YS、 Vs的反射鏡其轉(zhuǎn)角il及射角e不同，即各個(gè)反射鏡均有單獨(dú)的 驅(qū)動(dòng)跟蹤裝置)，使所以主射面平行于太陽(yáng)光線，同時(shí)其主法線繞各自頂點(diǎn)P在各自主射面 內(nèi)旋轉(zhuǎn)0.5A e度，即任意工況時(shí)、所有反射鏡主射面平行于太陽(yáng)光線，所有頂點(diǎn)P的反射 光線都射向定點(diǎn)F，所以所有反射鏡都聚光于定點(diǎn)F。由此可見(jiàn)、本申請(qǐng)的反射鏡完全可以 布置成鏡陣，由此形成功率可大可小的太陽(yáng)能熱利用點(diǎn)式系統(tǒng)。
綜上所述、本申請(qǐng)的反射鏡是以一特定曲線為母線繞主軸旋轉(zhuǎn)并截取一定面積而成的 雙曲面反射鏡，其截面的大小由吸光體的使用溫度來(lái)確定；其特定曲線是根據(jù)定點(diǎn)F相對(duì) 于頂點(diǎn)P的高低及距離、即根據(jù)俯仰角V、焦距/、緯度cp、及選定的赤緯角S值確立，使 始起位置反射鏡聚焦或聚光于定點(diǎn)F,其焦點(diǎn)即定點(diǎn)F固定、且在主光軸上；而始起位置是 以射角差值最小化的有效射角與最小射角的平均值進(jìn)行設(shè)定，即選定赤緯角S值；所以反 射鏡的聚光點(diǎn)固定、且聚光點(diǎn)可高于、低于或與反射鏡平行并可布置成鏡陣，使吸光體及 反射鏡的安裝不受地形限制。跟蹤太陽(yáng)時(shí)、反射鏡主射面繞主光軸旋轉(zhuǎn)H度，使主射面任 意工況時(shí)都平行于太陽(yáng)光線，同時(shí)其主法線繞頂點(diǎn)P在主射面內(nèi)旋轉(zhuǎn)0.5A e度，且定期對(duì) 赤緯角差值A(chǔ)S進(jìn)行跟蹤，使任意工況時(shí)、頂點(diǎn)P的反射線都射向定點(diǎn)F，反射鏡都聚光于 定點(diǎn)F。由于本申請(qǐng)的反射鏡的聚光比與最小端距比的平方成正比，選擇較高的端距比可使 聚光比達(dá)到幾十倍甚至達(dá)到數(shù)百倍；由于導(dǎo)光罩可再次聚光，最高可使聚光比達(dá)到上千倍， 從而提高吸光體的熱效率；由于本申請(qǐng)的反射鏡可以布置成鏡陣，使多個(gè)反射鏡聚光于一 個(gè)定點(diǎn)F,從而提高單一吸光體的輸入功率，擴(kuò)寬太陽(yáng)能熱利用領(lǐng)域。


圖1是分體式太陽(yáng)爐示意圖。 圖2是始起位置反射鏡主射面聚焦圖。
圖3是反射鏡旋轉(zhuǎn)23. 45°后聚光圖。 圖4是冬至正午時(shí)刻主射面內(nèi)聚光圖。
圖5是冬至正午時(shí)刻左端面聚光圖。 圖6是冬至正午時(shí)刻左端面聚光俯視圖。
圖7是夏至太陽(yáng)出沒(méi)地平線瞬間反射鏡聚光圖。 圖8是有效射角時(shí)反射鏡聚光圖。
圖9是分體式太陽(yáng)灶示意圖。 圖10是始起位置仰角反射鏡聚焦圖。
圖11是冬至正午時(shí)刻仰角反射鏡聚光圖。圖12是有效射角時(shí)仰角反射鏡主射面聚光圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本申請(qǐng)作進(jìn)一步說(shuō)明。
第一個(gè)實(shí)施例是定點(diǎn)聚光反射鏡組成太陽(yáng)爐的實(shí)施例。圖1是分體式太陽(yáng)爐示意圖。分 體式太陽(yáng)爐由吸光口 1、吸光體2、反射鏡3、跟蹤裝置、支架等組成；吸光體2與反射鏡3 分離一定距離、分別通過(guò)支架10安裝于地面上，吸光體2為一鍋灶，吸光口 1在吸光體2 上垂直于主光軸PF,吸光口1上有一定點(diǎn)F;反射鏡3通過(guò)鉸鏈11與轉(zhuǎn)軸7鉸接，鉸鏈ll 軸線垂直于反射鏡3主射面及轉(zhuǎn)軸7，即反射鏡3可繞轉(zhuǎn)軸7軸線旋轉(zhuǎn)同時(shí)可繞鉸鏈11軸線 旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)球心即為頂點(diǎn)P，反射鏡3上有一截面4，頂點(diǎn)P與定點(diǎn)F的連線即為主光軸 PF，主光軸PF平行于地平線NS指向正南，主光軸PF與轉(zhuǎn)軸7軸線同線；轉(zhuǎn)軸7套在支架 10上，轉(zhuǎn)軸7上安裝一跟蹤裝置6，跟蹤裝置6為定距離式跟蹤裝置，支架10安裝在地面 上，支架10上安裝一跟蹤裝置9，跟蹤裝置9是定轉(zhuǎn)角式跟蹤裝置，跟蹤裝置的跟蹤原理等 詳情可參考本人申請(qǐng)、申請(qǐng)?zhí)枮?00610166899.X的中國(guó)專利。跟蹤裝置9通過(guò)齒輪8驅(qū)動(dòng) 轉(zhuǎn)軸7旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸7帶動(dòng)反射鏡3及跟蹤裝置6—起繞主光軸PF旋轉(zhuǎn)，跟蹤裝置6通過(guò)推 拉件5滑動(dòng)連接并驅(qū)動(dòng)反射鏡3繞鉸鏈11軸線旋轉(zhuǎn)。
圖2是始起位置反射鏡主射面聚焦圖。過(guò)定點(diǎn)F作Z軸對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)即為主軸，其主軸傾角 P0=90°-eZo;在Z軸上取FCN/，過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)O點(diǎn)作Z軸的垂線指向北即為Y軸，艮卩YOZ 坐標(biāo)面平行于地軸，過(guò)0點(diǎn)作Y、 Z軸的垂線指向西即為X軸，由此形成O-XYZ坐標(biāo)系。作主光軸PF平行于地平線NS指向正南，即ys^。、 v=0°，設(shè)特定曲線為Y2=2a/(Z-B)拋 物線并在YOZ坐標(biāo)面上作出該拋物線，式中常數(shù)awos 9 Z()/tga>， B=0.5/cos 9 zo tg①或 B=/a_ sin 6 "-cos2 9 ZQ/2a);拋物線與主光軸PF相交點(diǎn)P即為反射鏡頂點(diǎn)，過(guò)P點(diǎn)作太陽(yáng) 射線AP平行于Z軸，過(guò)P點(diǎn)作主法線PP"交Z軸于Pp PP,與PF的夾角為反射角ao、 與AP的夾角為入射角9 Q， AP與地平線NS的夾角為高度角hc，即hc=e o;過(guò)P點(diǎn)作Z軸 垂線PP2、 P2為垂足，因?yàn)榈胤ň€垂直于地平線NS，而AP丄PP2，所以ZFPPf6 Zo。過(guò)P
點(diǎn)作PPi的垂線即為切線PP3、交Y軸于P3，其坐標(biāo)為(0,Yp3，0)， PP3與Y軸的夾角為0;
因?yàn)镻P2平行Y軸，所以ZP2PPfO，由于P點(diǎn)的斜率tgO:Yp/a/， YP=PP2=FPcosez0、 a= cos 9 z0/tgO>，所以tgO= PP2 tgO//C0S 9 Zo，所以PP2=/C0S 0 Zo，因此FP=/=FO;由 于切線PP3的方程為ZP-ZP3=tgd>(YP-YP3)，而P3坐標(biāo)值為(0，Yp3,0)，所以只有YpfO時(shí)、 才有zP3=0，即只有P3點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)O重合時(shí)該方程才成立，所以切線PP3即為主切線PO， PO與Y軸的夾角O即為主切線傾角O。因?yàn)镻PaPO、所以』PP20^」PiP0，所以ZPPjF =0，因?yàn)锳P〃PF、所以ZAPPfZPPiF，即0>=90;因?yàn)镕P:FO、所以ZFP0 =ZF0P， 0 0=a()=O;所以fp尸fp= fo=/，即f點(diǎn)為z軸、主法線PPt及主切線po組成的jp,po 的中點(diǎn)；因?yàn)?0= a 0+O=2O， .'.0=0.5"=0. 5ho。將頂點(diǎn)P坐標(biāo)值(/cos 0 z0,/-/sin 0 z0) 代入方程Y^2a/(Z-B)可求得B=/(l-sin6 z0-cos2 e z0/2a)，由于Y-O時(shí)、Zo=B， o為拋 物線頂點(diǎn)，所以BiO，即B是拋物線頂點(diǎn)到Y(jié)軸的距離；？tgO=YP/a/=/coSeZ()/a/，.'. a=cos 0 z。/tg①。因?yàn)?/2cos2 0 z0/2a/=/cos 6 z0 tgO>= P2P P20/ P2P= P20 =/—/sin e z0， 所以/2cos2 0z。/2a/:B,即B=Y2P/2a/=Zp-B， .'.2B=ZP， B=oO = P2o;因?yàn)閠gO= p20/PP2， 所以z產(chǎn)P20/cos 9 z0 tg①，B=0.5/cos 9 z0 tgO。當(dāng)920=30°時(shí)、a=l. 5，其B=0. 25/; 當(dāng)9 zQ=0°時(shí)、a=l，其B=0. 5/，即頂點(diǎn)o到Y(jié)軸的距離等于頂點(diǎn)o到定點(diǎn)F的距離，此時(shí) 拋物線Y2=2a/(Z-B)為標(biāo)準(zhǔn)拋物線y^2pz;標(biāo)準(zhǔn)拋物線y2=2pz的數(shù)學(xué)含義是有一動(dòng)點(diǎn)M 到定點(diǎn)F和定直線L的距離相等，則動(dòng)點(diǎn)M的軌跡為拋物線；其以拋物線頂點(diǎn)o為坐標(biāo)原 點(diǎn)，其y軸與Y軸平行，其z軸與Z軸同線，其數(shù)學(xué)式y(tǒng)^2pz中p為定點(diǎn)F到定直線L的 距離，即y值等于Y值、即y二Y， z=Z_B， p=/，即Y軸相當(dāng)于定直線L;當(dāng)92()=0°時(shí)、 a=l，式Y(jié)2=2a/(Z-B)變?yōu)閅2=2/(Z-B)，在o-yz坐標(biāo)系中其式即為y2=2/z，所以其為標(biāo)準(zhǔn)拋 物線；眾所周知只要標(biāo)準(zhǔn)拋物線主軸即z軸對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，則所有反射線都聚焦于焦點(diǎn)F。
在拋物線Y2=2a/(Z-B)上取任意點(diǎn)M，過(guò)M點(diǎn)作太陽(yáng)射線AM平行于Z軸，連接MF， 作法線MMi交Z軸于Mp法線MM!平分ZAMF;過(guò)M點(diǎn)作MM,的垂線即為切線MM3， MM3交Z軸于M3， MM3與Y軸的夾角為X。過(guò)M點(diǎn)作Z軸垂線MM2， M2點(diǎn)為垂足。為 便于理解我們用數(shù)碼表示射線AM與切線MM3的夾角為Z1、入射角ZAMM產(chǎn)Z2、反射 角ZMiMF:Z3、 ZFMM3=Z4;此外ZMM3F二Z5、 ZMM!F-Z6。因?yàn)樯渚€AM平行于Z 軸，所以Z1二Z5、 Z2=Z6，又因?yàn)镸M,丄MM3、所以21+22=90。、 Z3+Z4=90°，因?yàn)?Z5+X=90o、 .'.21+入=90。、 Z2=Z6=X。因?yàn)镸M3方程為(ZM-Z M3) / YM= YM/a/，艮卩 ZM— Z m3=2 (YM2/2a/+B ) —2B ，所以ZM=2B—Z M3 =P20+OM3 ，因?yàn)閆M=M20= M2P2+ P20 ， .'.M2P2= OM3;因?yàn)閠g入=YM/a/=MM2 . tgO〃cos 0 z0=函2 *PP2/ PP2= MM2/ Pi P2， tg入MM2/MiM2，所以MiM2-a/， MM2/P2= MM2 / M2，所以P丄P2= M2= a/， 因此Mi P產(chǎn)M2 P2 = O M3，因?yàn)镕P產(chǎn)FO/，所以M!F=FM3，即F點(diǎn)是直角三角形』M!MM3 斜邊的中點(diǎn)，所以M!F-FM^FM,即F為Z軸、法線MMi及其切線MM3組成的』M!MM3 的中點(diǎn)。所以匕6=23=22，即入射角Z2等于反射角Z3，任意點(diǎn)M的反射線聚焦于定點(diǎn)F， 所以定點(diǎn)F為拋物線Y2=2a/(Z-B)的焦點(diǎn)。
由于本實(shí)施例Y s=0° ，當(dāng)赤緯角S變化a S時(shí)、用跟蹤裝置6驅(qū)動(dòng)反射鏡3繞頂點(diǎn)P在 主射面即YOZ坐標(biāo)面內(nèi)旋轉(zhuǎn)0.5 A S ，從而對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤。圖3是反射鏡旋轉(zhuǎn)23. 45°后聚光圖。地球由夏至正午時(shí)刻轉(zhuǎn)致冬至正午時(shí)刻，赤緯角差值為a 5=46.9°，等于太陽(yáng)射線AP 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了 46. 9° ，此時(shí)天頂角9 Zd= 9 z。+a s ;反射鏡主法線PPi繞頂點(diǎn)P旋轉(zhuǎn)0.5 △ 5 、 等于旋轉(zhuǎn)23. 45° ，即圖3是冬至正午時(shí)刻反射鏡的聚光圖。由于O-XYZ坐標(biāo)系隨反射鏡旋 轉(zhuǎn)，所以拋物線上的各點(diǎn)及線相對(duì)于O-XYZ坐標(biāo)系其值和夾角沒(méi)有變，但相對(duì)于P-xyz坐標(biāo) 系則旋轉(zhuǎn)了 0.5A s ， ed=e(r0.5A 5 =90°- 9 ZQ-0.5A S 。入射頂點(diǎn)P的太陽(yáng)射線AP旋轉(zhuǎn)了 △ s 、使入射角e減小△ s ，但主法線pPi旋轉(zhuǎn)了 0.5 a s 、使入射角e增大0.5 △ s ，即入射 角由e o變?yōu)閑 d= e 0-厶s +0.5 a s = e 0-0.5 a s ;由于主法線pp丄旋轉(zhuǎn)了 0.5 a s 、使反射角a
減小0.5AS，即反射角由ao變dfao -0.5A 6，因?yàn)?^cic)，所以9fcid，即入射角9等 于反射角a，即反射鏡旋轉(zhuǎn)后經(jīng)P點(diǎn)的反射光線仍將沿主光軸射向定點(diǎn)F。同理、入射任意 點(diǎn)M的太陽(yáng)射線AM旋轉(zhuǎn)了 a s 、使入射角Z2d減小a 5 ，但法線MlVh旋轉(zhuǎn)了 0.5 a 5 、使 入射角Z2d增大0.5A S，即入射角Z2^Z2-A S+0.5A S=Z2-0.5A S。反射鏡繞頂點(diǎn)P旋轉(zhuǎn) 時(shí)，拋物線P點(diǎn)以上各點(diǎn)往靠近定點(diǎn)F方向轉(zhuǎn)動(dòng)，P點(diǎn)以下各點(diǎn)往離開(kāi)定點(diǎn)F方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使 反射線在吸光口 l上形成光斑。為了減少圖標(biāo)及讀圖方便，以下規(guī)定任意點(diǎn)M為拋物線P點(diǎn) 以上的任意點(diǎn)，過(guò)任意點(diǎn)M作主光軸PF的平行線MMp交Z軸于Mp點(diǎn)，則ZM， MMP= P d_入； 由于入射角Z2d等于反射角Z3d，而Z2d二Z2-0.5厶S，Z2^A，所以z3d二Z2d二A-0.5A S; 設(shè)M4為經(jīng)任意點(diǎn)M的反射線MM4與主光軸PF的交點(diǎn)，則有ZMpM M4= Z3d-ZV^MMp =入-0.5 △ S-(ed—入)=2入+ 6 z?！?0。 ， ... ZMpmm4=ZM m4p, ... ZMJVLtP二2入+ 0 z。一90。，因?yàn)?ZMpM M2 = 90。 _ P d， zm4m M2= ZMPM M2-ZMPM M4，所以ZM4M M2=90。 —2 A +0.5 △ S , 入=arc tg YM /a/;因?yàn)閆M4M P= ZM4M M2+ZP M M2，而ZP M M2= arc tg (ZM- ZP) / (YM - YP)。 因?yàn)镻M/ sinZM M4P = P M4/ sinZM4M P，所以P M4=PMsinZM4M P / sinZM M4P, PM2= ( YM- YP)2 + (ZM- ZP)2 。以下規(guī)定任意點(diǎn)K為拋物線P點(diǎn)以下的任意點(diǎn)，過(guò)K點(diǎn)作太 陽(yáng)射線AK，作K點(diǎn)的法線KK,交Z軸于Kt，過(guò)K點(diǎn)作K點(diǎn)的反射線KK4， K4為反射光線 KK4與主光軸PF的交點(diǎn)，取法線KKi與主光軸PF的交點(diǎn)為K5。由于ZP K5 K=ed-入k， ZAKK5=9。0-ZPK5K_ e zd=90o- (90o- 9 z0-0.5 A S-XK) - (9 z0+A S ) =AK -0.5 a S ， 入K=arc tgYK/a/; ZK4KK5=ZAKK5 =入K-0.5 a 5 ， ZPK4K=ZPK5K_z:K4KK5= P d_2入K+0.5 A S ; 因?yàn)镻 K4/ sinZPK K4=PK/ sinZP K4K，所以P K4=PKsin ZPK K4/ sinZP K4K，式中 PK2= ( YK - YP) 2 +(ZK- Zp) 2， ZPKK4=180° -ZFPK-K4K， ZFPK=ZFPP2+ZKPP2， ZFPP2= 9 zo+0.5厶S ， ZKPP2= arc ctg (YK- YP) / (ZK- ZP)。因此、e 〈 e 0時(shí)主射面內(nèi)入射拋 物線上任意點(diǎn)的反射線與主光軸PF的交點(diǎn)均可求出；取m、 k點(diǎn)為經(jīng)M、 K點(diǎn)的反射線MM4、 KK4與吸光口l的交點(diǎn)，貝l」Fm=(PM4_/) tgZMM4P， Fk= (P K4-/) tgZP K4K，由此、
e 〈 p o時(shí)任意點(diǎn)的光斑距離均可求出，即以上計(jì)算式是e 〈 e c S卩S 〈90°時(shí)光斑距離的計(jì)算式。
圖4是冬至正午時(shí)刻主射面內(nèi)聚光圖。在主射面內(nèi)母線上取C為反射鏡上端點(diǎn)、E為下 端點(diǎn)；分別過(guò)C、 E點(diǎn)作太陽(yáng)射線AC、 AE、作法線Cd和EE!交Z軸于d和過(guò)C點(diǎn)作 Z軸垂線CC2， Q為垂足，分別作反射線CQ和EE4交主光軸PF于C4和E4，取c、 e分別 為CC4和EE4與吸光口I的交點(diǎn)。以下取具體數(shù)據(jù)計(jì)算上、下端點(diǎn)的光斑距離本實(shí)施例中 均取緯度(p二43.45。，則始起位置9 zQ=(p-5X = 20°，夏至?xí)rSf23.45。， P Q=90° - e Z()=70° ， 0=0. 5 0 0=35° ;均取焦距/=80111，均按圖比:1000:1繪圖，貝iJ/二80， a=cos e z。/tg①=1. 342, B=0.5/cos 6 Zo.tgO=26. 32， P(0,75. 175， 52.638)。冬至正午時(shí)刻e zd= 6 Zo+厶S =66. 9° ， 曰d= e 0-0.5 △ S =46. 55° ;取C點(diǎn)為C(O， 90， 64. 042)，根據(jù)M的推論得入c=arc tgYc/a/ =39. 973。 ， ZCC4P=2 X c+ 9 z。-90o =9. 9450 ; Z PCC2=arc tg (ZC_ZP) / (YC—YP) = 37. 569。， ZC4CC2=90。-2入c十0.5 A S =33. 505。 ， ZC4C P= ZC4CC2+ZPCC2 = 71. 074° ; PC = 18.704， PC4=PC sinZQC P/sinZCC4P=102. 447。 Fc=(PC4-/) 'tgZCC4P:3. 936。取E點(diǎn)坐標(biāo)為 E(O， 60, 43.09),根據(jù)K的推論得ZEPP2=arc tg(ZE-ZP)/(YE-YP)=32. 178° ， ZFPP2=43. 45° ，ZFPE=ZFPP2+ZEPP2=75. 628。，入E=arc tg YE/a/=29. 199。 ， Z PE4E= P d-2入E+0.5 △ S =11.602。， ZPEE4=180。-ZFPE - ZPE4E=92.770; PE2= (YE-YP)2 + (ZE-ZP)2 ， PE二17.93; PE4=PE'sinZPEE4/sinZPE4E=89.05; Fe= (p e4-/)'tgZP E4E=1.86。即上、下端點(diǎn)的光斑距 離為Fc=3. 936m、 Fe=1.86m,由PQ及Fc的計(jì)算式得知PC4與PC成正比，F(xiàn)c與PQ成正比， 所以Fc與PC成正比，同理Fe與PE成正比，即光斑距離與其入射點(diǎn)到頂點(diǎn)P的距離成正比。 設(shè)FP與Z軸交于D，過(guò)f點(diǎn)作Z軸垂線FF!，則DP- PP2/ sin 0 d= YP/sin P d; DF= DP_/= YP/sine-/，所以Yf二FF^DF sin P =YP-/sinP ， Zf二F, P2+P2 0=/cos P d+ZP，即冬至正 午時(shí)刻定點(diǎn)F在O-XYZ坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值變?yōu)镕 (0， YP-/sined， /cos0d+ZP)。
以上是冬至正午時(shí)刻主射面內(nèi)的聚光情況分析，為分析其他入射面內(nèi)的聚光情況、取G 點(diǎn)為上端面左端點(diǎn)、J點(diǎn)為下端面左端點(diǎn)，所說(shuō)的上或下端面是通過(guò)反射鏡上或下端點(diǎn)且垂 直于主軸的面；則G、 C2、 E2、 J為反射鏡的左端面，左、右端面與主射面相交于Z軸；設(shè) 左右端面與主射面的夾角為3，則反射鏡截面4是以上下左右端面截取的矩形，當(dāng)然反射鏡 截面一般是橢圓或圓形。由于G、 C點(diǎn)同一橫截面、J、 E點(diǎn)同一橫截面，由于反射鏡是以拋 物線Y2=2a/(Z-B)為母線繞主軸作圓弧旋轉(zhuǎn)而成鏡面，所以上端面反射鏡的載線是以垂足C2 為圓心的圓弧線，G點(diǎn)的法線與Z軸的交點(diǎn)為d點(diǎn)；下端面反射鏡的載線是以垂足e2為圓 心的圓弧線，J點(diǎn)的法線與Z軸的交點(diǎn)為^點(diǎn)。始起位置時(shí)因?yàn)樘?yáng)射線為平行入射且平行 于主軸，所以此時(shí)太陽(yáng)射線垂直于所有橫截面，即太陽(yáng)射線在XOY坐標(biāo)面內(nèi)為一點(diǎn)；由反 射定律得知鏡面上任意點(diǎn)的反射線必與該點(diǎn)的法線和入射線共面于入射面，且入射角等于 反射角；由于反射鏡是以特定曲線為母線繞Z軸作圓弧旋轉(zhuǎn)而成鏡面，所以所有入射面與主 射面相交于Z軸，由于任意點(diǎn)的法線與Z軸相交且太陽(yáng)射線垂直XOY坐標(biāo)面，所以所有入 射面垂直于XOY坐標(biāo)面，所以所有入射面內(nèi)各點(diǎn)的夾角與主射面內(nèi)相應(yīng)各點(diǎn)的夾角相等， 同一橫截面內(nèi)各點(diǎn)的入射角相等、反射角相等、且入射角等于反射角，即鏡面上任意點(diǎn)的入 射角等于反射角，所以始起位置入射反射鏡的反射光線肯定聚焦在定點(diǎn)F上。具體地說(shuō)左 端面上反射鏡的載線是由主射面上的Y^2a/(Z-B)拋物線繞Z軸作圓弧旋轉(zhuǎn)3度而成，即該 載線仍是Y^2a/(Z-B)拋物線，其上的G點(diǎn)是主射面上的C點(diǎn)繞垂足c2旋轉(zhuǎn)3度而成，所 以G點(diǎn)的法線與Z軸的交點(diǎn)為d點(diǎn)；由于始起位置太陽(yáng)射線平行入射且平行于主軸，所以 入射角ZAGCfZACCi，反射角ZQGF二ZdCF，且ZAGC尸ZdGF;鏡面上任意一點(diǎn)均與 此同理，所以始起位置反射鏡聚焦于定點(diǎn)F。
圖5是冬至正午時(shí)刻左端面聚光圖。圖6是冬至正午時(shí)刻左端面聚光俯視圖。由于正 午時(shí)刻方位角r=0° ， Y軸指向北，所以太陽(yáng)射線平行于YOZ坐標(biāo)面；取A(5為太陽(yáng)射線AG 與XOZ坐標(biāo)面的交點(diǎn)(圖中未示)，正午時(shí)刻e卟，《=e+90°-Pd=h+90°-Pd，取G點(diǎn)坐 標(biāo)值為G (XG， YG， ZG)，則Ac點(diǎn)坐標(biāo)為AG (XG， 0， ZG + YGtg《)；由于C點(diǎn)坐標(biāo) 為C (0， Yc， Zc)， d點(diǎn)為d (0， 0， a/+Zc)，且G與C點(diǎn)同一端面，所以Z(^Zc;
所以射線向量^jf^YG j-YGtgU，法線向量C々=XG i+YG j- a/ k。設(shè)吸光口 l與
太陽(yáng)射線AG的交點(diǎn)為G,，與法線dG的交點(diǎn)為Gr,由向量^jG及(^G得知GG,的方程
為^L = i^ ， gg2的方程為^i = I^L = lz^。吸光口 i過(guò)定點(diǎn)f yG -7Gtg《 Zc& —。/
且垂直于主光軸PF，而PF即吸光口 1的法線向量為=(YF-YP)j+(ZF-ZP)k,所以吸光 口 1的方程為(YF-YP) (Y-YF) + (ZF-ZP) (Z-ZF)=0。設(shè)法線dG和入射線AG組成的入射面為II，在面II上取g點(diǎn)為反射線Gg與吸光口 1的交點(diǎn)。為分析光斑的大小，取與圖4相同數(shù) 據(jù)進(jìn)行計(jì)算:C(O， 90， 64.042)， E(O， 60， 43.09)，則d (0， 0， 171.4)， Ei (0， 0， 150.45); 取左右端面與主射面的夾角為3=15°,則G(23. 29， 86. 93， 64. 04)、 J(15. 53, 57. 96， 43. 09)， AG (23.29， 0， 264.45)，《=66.55° ，由于定點(diǎn)F的坐標(biāo)值為F(O， 17.1， 107.66)，所以 吸光口l的方程為58.08(Y-17.1)-55.02(Z-107.66)=0。將此方程與GG!的方程組成二元 一次方程組可解得G！點(diǎn)的坐標(biāo)值為G, (23. 29， 52. 02， 144. 52)，與G G2的方程組成二元 一次方程組可解得G2點(diǎn)的坐標(biāo)值為G2 (9.60， 35.84， 127.14)。由于入射面II內(nèi)AGGiG2
各邊長(zhǎng)分別為GG產(chǎn)87.73，GGf82.34，G！ G2=27.41，由于cosZAGC尸~^~!~ = 0- 95.
所以ZAGC尸18. 195°;因?yàn)閆AGC產(chǎn)ZdGg，所以ZAG g=2ZAG C尸36. 39° ，由正弦定 理得知sinZGG,g二GG2'sinZAGC,/G,Gf0.938，所以ZGG!g二69. 718° ;由內(nèi)和定理得知 ZGgG產(chǎn)180。-ZAG g -ZGGf73. 892。，所以G丄g = G G！ sinZAG g / sinZGgG產(chǎn)54. 17， 所以G2g = Glg - G!Gf26.76。設(shè)40=02§/ GiG2， qG=0. 97643，則Xg- XG2=qG (XG2- XG1)、 Yg-YG2=4G (YG2-YG1)、 Zg-ZG2=qG(ZG2—ZG1);所以Xg"3.77、 Yg=20.04、 Zg =110.17。 同理取j點(diǎn)為經(jīng)J點(diǎn)的反射線Jj與吸光口 1的交點(diǎn)，則可以推算出Xf-4.07、Yj^16.05、 Zj =106.56;所以Fg、 Fj的距離分別為Fg=5.40， Fj=4.34;由于左右端面對(duì)稱、所以 冬至正午時(shí)刻吸光口 1上光斑的最大半徑為Fg=5. 40m;根據(jù)以上的推算可以求出任意一點(diǎn) 的光斑距離。反射鏡是以C(O， 90， 64. 042) 、E(0， 59.324， 42. 709)為上下端點(diǎn)，以U(15. 337， 74.662, 53.376)、 V (-15.337， 74.662, 53.376)為左右端點(diǎn)的橢圓形截面時(shí)，則冬至正 午時(shí)刻其上、下、左、右光斑距離為Fc=3.936、 Fe=1.889、 Fu= Fv=3. 104。由此可見(jiàn)入 射點(diǎn)離頂點(diǎn)P越遠(yuǎn)其光斑距離越大，所以橢圓形反射鏡要比矩形反射鏡的光斑小。
本實(shí)施例y s=0° ， v=0° 、所以cos ￡ =cos hcos 7,射角e的余弦與高度角h及方位角y 的余弓玄成正比，而sinh=sin cpsin 5 + cos cpcos S cos " ， cosy = (sinh sin cp—sin S ) / cosh coscp,艮卩 射角E的大小由緯度(p及赤緯角5和時(shí)角"確定；由于反射鏡相對(duì)于地球的位置是固定的，
所以當(dāng)?shù)氐木暥萩p是一常數(shù)，因此跟蹤太陽(yáng)時(shí)只需對(duì)時(shí)角w和赤緯角S進(jìn)行跟蹤。跟蹤裝置 9驅(qū)動(dòng)反射鏡3的主射面繞主光軸PF旋轉(zhuǎn)il度，轉(zhuǎn)角n =arc cos sin h/ (cos2 h sin2 Y+sin2 h) '/2， 使主射面平行于太陽(yáng)光線；跟蹤裝置6與反射鏡3—起繞主光軸PF旋轉(zhuǎn)、同時(shí)跟蹤裝置6 驅(qū)動(dòng)反射鏡3繞頂點(diǎn)P在主射面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；當(dāng)射角e變化A e度時(shí)、反射鏡主法線PP,繞頂點(diǎn) P旋轉(zhuǎn)0.5A e ，從而對(duì)射角e進(jìn)行跟蹤；且當(dāng)赤緯角S變化a S度時(shí)、因ys-0。，反射鏡主 法線PP,繞頂點(diǎn)P在主射面內(nèi)旋轉(zhuǎn)0.5 △ S ，從而對(duì)赤緯角S進(jìn)行跟蹤。由于對(duì)射角e進(jìn)行 跟蹤時(shí)已包含對(duì)赤緯角S的跟蹤，但每天有效光照約10小時(shí)，即對(duì)射角s的跟蹤每天約10 小時(shí)，所以還要對(duì)赤緯角S進(jìn)行另外14小時(shí)的跟蹤；由于赤諱角S —年變化93.8Q，每天的 AS&0.257。/天，所以每天對(duì)射角e跟蹤開(kāi)始前對(duì)赤緯角S進(jìn)行一次跟蹤、即定期對(duì)赤緯 角差值a 5進(jìn)行跟蹤就足已準(zhǔn)確。即y S=0°時(shí)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤為反射鏡3繞主光軸PF旋轉(zhuǎn) n度，使主射面平行于太陽(yáng)光線，同時(shí)其主法線PP,繞頂點(diǎn)P在主射面內(nèi)旋轉(zhuǎn)0.5A e度， 且定期繞頂點(diǎn)P旋轉(zhuǎn)0.5 A S 。正午時(shí)刻"=0° 、 了=0° ,由cos e =cos hcos y得知e =h，即 射角e等于高度角h;由于本實(shí)施例的特定曲線是以夏至正午時(shí)刻的天頂角9 w設(shè)計(jì)的，而 此時(shí)射角et)等于高度角ho、主軸對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，所以始起位置入射反射鏡的反射光線肯定聚焦 于定點(diǎn)F;而非始起位置正午時(shí)刻的聚光情況已在對(duì)赤緯角S跟蹤中論述。太陽(yáng)出沒(méi)地平線 瞬間、高度角h-0 對(duì)應(yīng)的射角e等于方位角Y，而此時(shí)的方位角Y=arCC0S(-sinS/C0S<p)， 由此式得知在同一緯度、全年中夏至赤緯角5f23^7'太陽(yáng)出沒(méi)地平線時(shí)的方位角最大、 即夏至日出日落瞬間射角e最大，冬至赤緯角Sd=-23G27 '太陽(yáng)出沒(méi)地平線時(shí)的方位角最小，即冬至日出日落瞬間射角e最小，而且緯度越大、日出日沒(méi)時(shí)冬夏至方位角差值越大；由于此時(shí)射角等于方位角，所以全年中夏至太陽(yáng)出沒(méi)地平線時(shí)的射角為最大射角eM。
圖7是夏至太陽(yáng)出沒(méi)地平線瞬間反射鏡聚光圖。夏至太陽(yáng)出沒(méi)地平線瞬間，入射頂點(diǎn)P的太陽(yáng)射線AP順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了 A E 、使入射角0增大A e ，但主法線PPi順時(shí)針旋轉(zhuǎn)0.5 A e 、使入射角9減小0.5 A s ，即入射角由9 q變?yōu)? m= 9 o+A e -0.5 A e = 9 0+0.5 A e ;由于主法線PP!順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了 0.5A e 、使反射角QM增大0.5A e ，即反射角由ao變a^ao+0.5a ￡ ，因?yàn)閑 o= a o，所以0 M= a M，主法線PPi旋轉(zhuǎn)后經(jīng)P點(diǎn)的反射線必將沿主光軸PF射向定點(diǎn)F。同理、入射任意點(diǎn)M及K的太陽(yáng)射線AM、 AK順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了 A e 、使入射角增大A E ，但法線MM卜KK,順時(shí)針旋轉(zhuǎn)0.5 a e 、使其入射角減小0.5 a e ，所以其入射角增大了 0.5A e ;主軸傾角eM增大0.5A e : pM=eQ+0.5A e =90°-ezo+0.5a e 。由于反射鏡繞頂點(diǎn)P旋轉(zhuǎn)時(shí)，拋物線P點(diǎn)以上的各點(diǎn)往離丌定點(diǎn)F方向轉(zhuǎn)動(dòng)0.5A e， P點(diǎn)以下各點(diǎn)往靠近定點(diǎn)F方向轉(zhuǎn)動(dòng)0.5A ￡ ，使反射鏡的反射線在吸光口上形成光斑。過(guò)任意點(diǎn)M作Z軸垂線MM2， M2為垂足，過(guò)M點(diǎn)作主光軸PF的平行線MMP交Z軸于MP點(diǎn)，則ZMiMM^ e M_入；因?yàn)槿肷浣荶2M等于反射角Z3m，而Z2m二z:2+0.5a e ， Z2=入，所以Z3m二Z2M=入+0.5△ s ;設(shè)M4為反射線MM4與主光軸PF的交點(diǎn)，則ZMpM M4 = Z3M-ZMi MMp=A+0.5a e_PM +入=2入+ 0 z0-90o ， ZMPMM2= P M-90。 ， ZM4MM2= ZMPM M2+ZMPM M4= P M-90o +2入+ e z0-90o=2入+0.5厶e —90。 ， ZMM4P=ZMPM Mt=2 X + 6 Z(r90o ;入=arc tg YM /a/; ZM4M P=ZPMM2-ZM4MM2， ZPMM2= arc tg (ZM—ZP) / (YM_YP) ， PM2= (YM— YP) 2 + (ZM- ZP) 2;因?yàn)镻M/sinZMM4P = PM4/sinZM4MP，所以PM4=PM sinZM4M P/sinZM M4P。過(guò)任意點(diǎn)K作太陽(yáng)射線AK、作法線K1^交Z軸于K"作反射線KK4交主光軸PF于K4，法線Kld交PF于Ks。由于ZPK5K^Pm-入k，入射角ZAKK尸Em-ZPK5K =sm-(Pm -Ak)，其中入K= arc tg YK /a/，射角e M= arc cos (- sin S /C0S(p), 0.5 A e =0.5 ( e M_90° + 3 z0)'所以入射角ZAKK尸入k+0.5a e ,即入射角比始起位置增大0.5A e ; ZK4KKfZAKKf X K+0.5厶e ，ZPK4K=ZPK5K- ZK4KKf e M-入K-(入k+0.5 A O = e M-2入K-0.5 △ e ; ZFPP2=0.5 a e - 9 z。，ZKPP2=arctg(ZK-ZP)/(YK-YP)， ZFPK=ZKPP2-ZFPP2， ZPKICrl80。-ZFPK-ZPK4K。PK2=(YK-Yp)2 + (zk-zp)2 ，由PK4/sinZPKIC^PK/sinZPK4K,得PK4=PK'sinZPKK4/sinZPK4K。則FtiF(/-PM4)'tgZMM4P， Fk=(/-P K4)ngZP K4K， m、 k點(diǎn)分別為反射線MMt、 KIQ與吸光口 1的交點(diǎn)。
以下以具體數(shù)據(jù)分析光斑的大小最大射角e M= arc cos (- sin S / coscp) =±123.24°,0.5 △ ￡=0.5 ( e M-90。+0 z0) =26.62° ，主軸傾角P M= e Q+0.5 A e =96.62°。為減少圖示及讀圖方便、設(shè)M(O， 90， 64.04)點(diǎn)為反射鏡上端點(diǎn)；貝U: A =39. 973°， M4P=9. 945° ,ZPMM2 = 37. 564° ， ZM4M M2= 16. 566° , ZM4M P = 20. 998° ， PM= 18.703 ， PM4 = 38. 806;Fm=7.223。設(shè)K(O， 60， 43. 09)點(diǎn)為反射鏡下端點(diǎn)，貝ij: A K =29. 199° ， ZKPP2= 32. 178° ，ZFPP2=6. 62。 ， ZFPK=25.558。 ， ZPK4K^IL 602。 ， ZPKK4=142.84° ; PK=17.93， PK4 = 53.85;Fk=5. 37。即最大射角e m時(shí)上、下端點(diǎn)的光斑距離為Fm=7. 223m、 Fk=5. 37 m,此值是反射鏡光斑極限值；此時(shí)的時(shí)角"n^arccos(-tatwptanS )=±114.26° ，對(duì)應(yīng)時(shí)間是上午4點(diǎn)23分及下午19點(diǎn)37分；由于最大射角eM時(shí)是太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣層路程的最大值，而太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣層的路程越長(zhǎng)，則大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收、反射和散射的能量越多，所以到達(dá)地面即反射鏡的輻射能量越少；太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣層的路程與高度角h有關(guān)，h-90。時(shí)路程最短、11=0°時(shí)路程最長(zhǎng)，而sinh與cosw對(duì)應(yīng)，所以每天有效光照約IO小時(shí)，即上午7:00到下午17:00，對(duì)應(yīng)時(shí)角為_(kāi)75°到75°，對(duì)應(yīng)夏至cp = 43.45°時(shí)的有效射角s =±97. 22° 。冬至太陽(yáng)出沒(méi)地平線瞬間射角e =arc cos (- sin S / coscp) =±56. 76° ,對(duì)應(yīng)時(shí)角"=±65.74° ,對(duì)應(yīng)cp二43.45。、 /=80m、 M (0， 90， 64.04)、 K(O， 60， 43. 09)時(shí)的光斑距離為Fm=l. 38、Fk=0. 82。
圖8是有效射角時(shí)反射鏡聚光圖。取有效射角e =±97. 22° ， " = ±75° ， 0.5 △ e =13. 61° ，3=83.61°;取上端點(diǎn)C(O， 90， 64.042)、下端點(diǎn)E(O， 60， 43.09)，根據(jù)圖7 M、 K的推算得:Xc = 39. 9730， ZCC4P = 9. 9450， ZPCC2= 37. 564。 ， ZC4CC2 = 3. 556。 ， ZC4CP=34. 008o ，PC=18.70， PC4 = 60.57; Fc=(/_PC4)'tgZCdP =3. 4。下端點(diǎn)入E=29. 1990， ZEPP2= 32. 180 ，ZFPP2= 9 z0-0.5 a e =6. 390 ， ZFPE=ZFPP2+ZEPP2=38.568° ， ZPE4E=11. 602。 ， ZPEE4=129.83°; PE=17.93， PE4= 68.47; Fe二(/-P E4) ngZPE4E=2. 37。即有效射角時(shí)上、下端點(diǎn)的光斑距離為Fc:3. 4、 Fe=2. 37。與圖5、 6同理、取G (23.29， 86.93， 64.04)點(diǎn)為上端面左端點(diǎn)、j (15.53， 57.96， 43.09)點(diǎn)為下端面左端點(diǎn)，則G、 C2、 E 2、 j為反射鏡的左端面，設(shè)3 = 15°，則反射鏡截面為矩形。同圖5、 6所述上左端點(diǎn)G及下左端點(diǎn)J的法線與Z軸交點(diǎn)分別為d、 Et點(diǎn)，取Aa為太陽(yáng)射線AG與XOZ坐標(biāo)面的交點(diǎn)，設(shè)吸光口 1與太陽(yáng)射線AG的交點(diǎn)為G"與法線dG的交點(diǎn)為G2 (A(3、 G卜G2圖中均未示出)；截射角S =e+90°-e =103.61°，由于太陽(yáng)射線平行于主射面，所以GG!、 GG2的方程同圖5、 6所述。取g點(diǎn)為反射線Gg與吸光口 I的交點(diǎn)，由于YF=YP-/sin 0 =-4. 33， Z產(chǎn)/cos P + ZP=61.54，
所以定點(diǎn)F坐標(biāo)為F (0, -4.33， 61.54)，吸光口 1的法線向量為^=-79. 5j+8.9 k，其
方程為79. 5(Y+4. 33)-8. 9(Z-61.54)=0。將此方程與GG,的方程組成方程組解得G！ (23. 29，-82.3， -634.94)，與GG2的方程組成方程組解得G2 (1.88， 7.01， 162.75)。 AGG!G2各
邊長(zhǎng)為GG尸719.17， GG2=129.48， GiGf802.96，由cosZGiGGf GGi +gg2 _叫=—。.595，
得ZdGG2=126.499。，同理求得ZGG2G尸46.053。 ， ZG2Gg=ZAGG2=I80。-ZG丄GG產(chǎn)53. 501°;ZGgG2二180。-ZG2Gg-ZGG2Gp80. 446。 ， G2g = GG2 sinZG2G g / sinZGgG2=105. 55，所以G!g ^G!G廠G2g =697.41。設(shè)HfGg/gG2， HG=6. 60739，則Xg-XG1=HG (XG2-Xg)、Yg—YG1=qG (YG2-Yg)、 Zg—ZG1=HG (ZG2—Zg);所以Xg-4.69、 Yg =—4. 73、 Zg=57.89。同理取j點(diǎn)為反射線Jj與吸光口 1的交點(diǎn)，則可推算出Xf3. 12、 Yj =-4. 04、 Zj =64. 14;所以Fg、 Fj的距離分別為Fg=5.96， Fj=4.07;由于左右端面對(duì)稱、所以有效射角時(shí)吸光口 1上光斑的最大半徑為Fg=5. 96m。根據(jù)以上的推算可以求出任意一點(diǎn)的光斑距離；反射鏡是以C(O， 90， 64.042) 、 E(O， 59.324， 42. 709)為上下端點(diǎn)，以U(15. 337， 74.662， 53.376)、V (-15. 337， 74.662, 53.376)為左右端點(diǎn)的橢圓形截面時(shí)，則有效射角e =±97. 22°時(shí)其上、下、左、右光斑距離為Fc=3.4、 Fe=2.443、 Fu= Fv=3. 0。由此可見(jiàn)入射點(diǎn)離頂點(diǎn)P越遠(yuǎn)其光斑距離越大，所以橢圓形反射鏡要比矩形反射鏡的光斑小。
綜上所述任意工況時(shí)頂點(diǎn)P的反射線都射向定點(diǎn)F，反射鏡任意一點(diǎn)的反射線都聚光于定點(diǎn)F。反射鏡跟蹤太陽(yáng)過(guò)程有三種工況:一種是始起位置、此時(shí)￡ 0=110=0 0、 So=90°,太陽(yáng)射線平行于主軸，反射線聚焦于定點(diǎn)F,光斑距離為零； 一種是e〈eo、 0 < 0 Q、〖<90°,此時(shí)的光斑距離由圖3至6的計(jì)算式求出； 一種是e〉eo、 e 〉 P o、 g 〉90°,此時(shí)的光斑距離由圖7至8的計(jì)算式求出；因此任意工況反射鏡任意一點(diǎn)的光斑距離均可求出。且光斑距離與入射點(diǎn)到頂點(diǎn)P的距離及射角差值成正比，控制入射點(diǎn)到頂點(diǎn)P的距離可控制光斑的大小，即控制端距比可控制光斑的大小。如本實(shí)施例為低溫太陽(yáng)爐、設(shè)反射鏡截面是橢圓形，取端距比=3;則反射鏡的上端點(diǎn)為C(O, 128, 102.622)、下端點(diǎn)為E(O， 9， 26.696)、左端點(diǎn)為U(59.5， 68.5， 64.659)、右端點(diǎn)為V (-59.5， 68.5， 64.659)，此時(shí)上、下端點(diǎn)的曲率半徑為Pc=a/(l+tg2Xc)3"=404.533、 PE=a/(l+ tg2入E) 3。=108. 495;取c、 e、 u、 v點(diǎn)分別為反射線Cc、 Ee、 Uu、 Vv與吸光口 1的交點(diǎn)，則其光斑距離分別為Fc=24.09、 Fe=23. 376、 Fu=Fv=19. 103;反射鏡橢圓截面的面積為A=7tab=13193.15m2，其中長(zhǎng)軸a=70.58、短軸b-59.5;設(shè)對(duì)應(yīng)的吸光口 1是以定點(diǎn)F為圓心、以最大光斑距離Fc二24.09m為半徑的圓形(當(dāng)然也可以是能吸收全部反射光線的其他形狀)，則其面積A=7iFc2=1823.15 m2，則其聚光比為13193.15m2/1823.15m2=7.236。圖5、圖8所述的反射鏡是以C(O， 90， 64. 042) 、 E(O, 59.324，42.709)為上下端點(diǎn)，以U (15.337， 74.662， 53.376)、 V (-15.337， 74.662, 53.376)為左右端點(diǎn)的橢圓形截面時(shí)，其最大光斑距離為Fc=3.936;其端距比分別為PC/Fc=4. 752、PE/Fe=9.901、 PU/Fu=PV/Fv=4. 962，其橢圓截面的面積為A=7rab=900.15m2，對(duì)應(yīng)的吸光口 1是以定點(diǎn)F為圓心、以最大光斑距離Fc=3. 936m為半徑的圓形，其面積A=jiFc2=48.67 m2，則其聚光比為18.5。將圖5、圖8所述的橢圓形反射鏡改為以頂點(diǎn)P為圓心、以PU為半徑的圓形時(shí)，其左右端點(diǎn)坐標(biāo)為U (15. 337， 74.662， 53. 376)、 V (-15. 337， 74.662, 53.376)、則上下端點(diǎn)坐標(biāo)為C(O， 87.422， 61.912)、 E(O， 62.235， 44.357)，其最大光斑距離為Fc= Fu= Fv=3. 104;其最小端距比為PU/ Fu=PV/ Fv=4.962，其圓截面的面積為Ac=;tPU2=741.48m2，對(duì)應(yīng)的吸光口 1是以定點(diǎn)F為圓心、以最大光斑距離Fu =3. 104m為半徑的圓形，則其面積AG-兀Fu^30.269m2，則其聚光比為24.5。由于聚光比是最大采光面積即反射鏡截面的面積與最大光斑面積之比，以兩者均為圓形而論、且以大于最大光斑面積的吸光口面積來(lái)計(jì)算，吸光口面積與最大光斑距離的平方成正比，而最大光斑距離正是最小端距比的分母，反射鏡截面面積與最小端距比的分子的平方成正比，所以聚光比等于最小端距比的平方，即AC/AG=7rPU2ArFu2=(PU/Fu)2;而兩者為其他形狀時(shí)聚光比與最小端距比的平方成正比。
反射鏡的母線還可以是其他曲率半徑接近Pcra/(l+tg2 <D)3/2的聚光弧線，本實(shí)施例如用曲率半徑P =202. 706m的圓弧線替代Y2=2a/(Z_B)拋物線、即其頂點(diǎn)P坐標(biāo)值不變、取主切線傾角①f29、取其反射鏡截面為長(zhǎng)軸a=70.58、短軸b=59.5的橢圓形時(shí)，其面積為A=13193.15m2，其最大光斑距離Fc=22. 159m;設(shè)對(duì)應(yīng)的吸光口 1是以定點(diǎn)F為圓心、以最大光斑距離Fc為半徑的圓形，則其面積A4542.59m2，其聚光比為13193.15/1542.59 =8.55。由于本實(shí)施例的拋物線反射鏡頂點(diǎn)P的曲率半徑為P o=a/(l+tg2 0>) 3/2=195. 324m，所以說(shuō)P =202. 706m的圓弧線是接近P『a/(l+tg2 3/2的聚光弧線；由上述可見(jiàn)、反射鏡截面面積相同時(shí)圓弧線反射鏡的聚光比略高于拋物線反射鏡的聚光比，所以完全可以替代拋物線反射鏡，其他聚光弧線同理；由于聚光弧線種類繁多、且其光斑距離的計(jì)算式同上述，除拋物線反射鏡外、始起位置其他聚光弧線均不聚焦，所以不在此一一列舉。第二個(gè)實(shí)施例是定點(diǎn)聚光反射鏡組成太陽(yáng)灶的實(shí)施例。圖9是分體式太陽(yáng)灶示意圖。分體式太陽(yáng)灶由吸光口 1、吸光體2、反射鏡3、跟蹤裝置等組成；吸光體2與反射鏡3分離一定距離、且吸光體2高于反射鏡3，即主光軸PF與地平線NS的夾角vX)、主光軸PF在地平面上的投影線指向正南，即YS =0°,其他構(gòu)造安裝等說(shuō)明與圖1相同。圖10是始起位置反射鏡仰角聚焦圖。在主射面內(nèi)作主光軸PF與地平線NS的夾角V>0、主光軸PF指向正南，即YS^。、俯仰角VX)，其他點(diǎn)、線、角的作圖和證明與圖2相同即過(guò)F點(diǎn)作Z軸即主軸指向太陽(yáng)、即P()二 ho= 90°-6Z()，取FO/，以O(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立O-XYZ坐標(biāo)系。設(shè)反射鏡的特定曲線為Y^2a/(Z-B)拋物線，在YOZ坐標(biāo)面內(nèi)ZFPP2=V+eZo,ZP2PO=0>， YP=PP2=/cosO+0 z0) ， 2B=ZP， B=oO = P2o， ZP=P20=/cos0+e z0)'tgO，所以B^.5/cosO+6 z0) 'tg①；？e0=a0=O, .'.FP產(chǎn)FP:FO/，即F點(diǎn)為ZlPiPO的中點(diǎn)；P0=iir+a o+0=ho， ... O=0. 5(h0—V) 。 ... tgO=YP/a/， ...a=cos ( V+9 z。)/tgO;將YP、 Zp值代入方程Y^2a/(Z-B)可求得:B=/[l_sinO+6 z。)-cos2( V+9 z。)/2a]。在拋物線Y2=2a/(Z-B)上取任意點(diǎn)M，貝U: Z2=Z6=入，MiF-FM廣FM，即F為」M!MM3的中點(diǎn)，Z6=Z3=Z2，即入射角Z2等于反射角Z3，任意點(diǎn)M的反射光線聚焦于定點(diǎn)F，即定點(diǎn)F為拋物線Y2=2a/(Z-B)的焦點(diǎn)；V<0時(shí)論證與上述同理、因此不作重復(fù)。始起位置時(shí)因?yàn)樘?yáng)射線為平行入射且平行于主軸，所以此時(shí)太陽(yáng)射線垂直于所有橫截面，即太陽(yáng)射線在XOY坐標(biāo)面內(nèi)為一點(diǎn)；由反射定律得知鏡面上任意點(diǎn)的反射線必與該點(diǎn)的法線和入射線共面于入射面；由于反射鏡是以特定曲線Y^2a/(Z-B)拋物線為母線繞Z軸作圓周旋轉(zhuǎn)而成鏡面，所以所有入射面與主射面相交于Z軸且垂直于XOY坐標(biāo)面，所以所有入射面內(nèi)各點(diǎn)的夾角與主射面內(nèi)相應(yīng)各點(diǎn)的夾角相等，同一橫截面內(nèi)各點(diǎn)的入射角相等、反射角相等、且入射角等于反射角，即鏡面上任意點(diǎn)的入射角等于反射角，所以始起位置入射反射鏡的反射光線肯定聚焦在定點(diǎn)F上。
圖ll是冬至正午時(shí)刻仰角反射鏡聚光圖。在主射面內(nèi)作PF與NS的夾角v>0，其他點(diǎn)、線的作圖與圖3、 5相同；當(dāng)?shù)厍蛴上闹琳甾D(zhuǎn)到冬至正午時(shí)、跟蹤裝置6驅(qū)動(dòng)反射鏡3由始起位置繞頂點(diǎn)P轉(zhuǎn)到冬至正午位置、反射鏡主法線PP!及O-XYZ坐標(biāo)系在主射面內(nèi)旋轉(zhuǎn)了
0.5"，此時(shí)e Zd= 9 z。+a s ， ed=90。- e z。-o.5a s 。頂點(diǎn)p:入射角e d= e 0-0.5厶s ，反射
角a d= a 。-0.5A S ，因?yàn)? Q= a 。，所以9f(id，即頂點(diǎn)P的反射線必將沿主光軸射向定點(diǎn)F。P點(diǎn)以上的任意點(diǎn)M: Z2d=z:3d=入-0.5A S ， ZMtMM尸ed-入，人=arc tg YM /a/;ZMPMM4 = ZMiMMp-Z3a=日d-入-入+0.5A S =90° _2入-0 z0，因?yàn)閆MpMM4+ZMM4P二 V ，所以ZMM4P二 V+2 X + 9 Zo-90° ;因?yàn)閆MpMM2二90。-e d， ZM4MM2=ZMPMM2+ZMpMM4=90° -2入+0.5A S ，且ZPMMf arc tg (ZM_ZP) / (YM _YP),所以ZM4M P= ZM4M M2+ZPM M2。PM2= (YM- Yp)2 + (ZM- Zp)2 ， PM4=PM'sinZM4M P/sinZMM4P， Fm= (PM4-/) 'tgZMM4P。V <0時(shí)ZM4MP = ZPMM2_ZM4MM2, ZM4M M2 = ZMPM M4-ZMPM M2 = 2入-0.5 A S -90° ，其余與V>0時(shí)相同。P點(diǎn)以下任意點(diǎn)K: ZAKK產(chǎn)ZK4KK產(chǎn)入K -0.5A S ， A K= arc tgYK/a/，ZPK5K=Pd-入k， ZPK4K=ZPK5K+ZK4KK「ii:={3d-0.5A S-V， ZFPP尸V+6 z0+0.5A S ，ZKPP2=arc tg(ZK_ZP)/(YK-YP) ， ZFPK=ZFPP2+ZKPP2, ZPKK4=180。-ZFPK ZPK4K。PK2 = (YK-Yp)2+(ZK-ZP)2， PK4 = PK'sinZPKK4/sinZPK4K， Fk= (PK4-/) tgZPK4K;V<0時(shí)ZPK4K=180。_(2XK-0.5A S)-(180°-ed -1 V |)=ed+0.5A S-u;-2入k，其余與V>0時(shí)相同。因此、Ys =0°時(shí)正午時(shí)刻主射面內(nèi)拋物線上任意點(diǎn)的光斑距離均可求出。定點(diǎn)F的坐標(biāo)值Ys =0°時(shí)、F (0， YP- /sin(e-uO， /cos(e — v)+ ZP)。
Y s=0° 、 W #0o時(shí)非主射面內(nèi)任意一點(diǎn)的光斑距離求證與YS =0°、 W-0。時(shí)同理、只是其S^e+v+90。-曰，詳見(jiàn)圖5中Fg的求證，在此不作重復(fù)。
俯仰角V #0° 、 Y s=0°時(shí)射角e計(jì)算式為e = arc cos (cos V cosh cos ■/+ sin V sin h)，跟蹤太陽(yáng)時(shí)，反射鏡3繞主光軸PF旋轉(zhuǎn)H度，使其主射面任意工況都平行于太陽(yáng)射線AP，n = arc cos { ( cos V sin h-sin V cosh cos / [ (cos V sin h-sin W cosh cos 2 + cos2 h sin2 了] 'A }，同時(shí)其主法線PP,繞頂點(diǎn)P在主射面內(nèi)旋轉(zhuǎn)0.5A e ; O-XYZ坐標(biāo)系隨反射鏡旋轉(zhuǎn)，所以拋物線上的各點(diǎn)及線相對(duì)于O-XYZ坐標(biāo)系其值和夾角沒(méi)有變。圖12是有效射角時(shí)仰角反射鏡主射面聚光圖。其作圖與圖7相同；射線AP旋轉(zhuǎn)了厶e、使頂點(diǎn)P的入射角由9o變?yōu)? = 9 q+0.5A e ;主法線PPt旋轉(zhuǎn)0.5A e 、使反射角由a o變a = a 。 +0.5A e ，因?yàn)? 0= a 0，所以6 = 0，即主法線PP!旋轉(zhuǎn)后經(jīng)P點(diǎn)的反射光線必將沿主光軸PF射向定點(diǎn)F。同理、入射任意點(diǎn)M及K的入射角增大了 0.5A e ，所以ZM!MM4二ZAMM!二入+0.5A e , M1MM4=ZM1MM4—ZM!MMp二 v+2入+ 6 z0-90。，其中入=arc tgYM /a/， ZMM4P= ZMpMM4=W +2 X + 0 z0-90。；因?yàn)閆MPMM2= W + 6 z。-0.5A e ， ZM4MM2= ZMPMM2- ZMpMM4=90° -2入-0.5A e ， ZM4MP= ZPMM2+ZM4M M2， ZPM M2= arc tg (ZM- ZP) / ( YM - YP)，PM2 = (YM-YP)2 + (ZM-ZP)2 ，所以PM4 = PM sinZM4MP/sinZMM4P，F(xiàn)nF(/-PM4) 'tgZMM4P。V<0時(shí)ZMPMM2=0.5A e - ijr- 6 z0， ZM4MM2= ZMpMM2+ZMpMM4=2入+0.5A s _90o ，ZPK5K=90o- e z。+0.5A e — V-AK，所以ZPK4K^ZP K5 K-ZK4 KK尸900— e z0-v-2入k;因?yàn)閆FPP2= v + 0 z。-0.5A e ， ZKPP2= arc ctg (YK— YP) / (ZK- ZP) ， ZFPK=z:KPP2+z:FPP2,zpkk4=180o-ZFPK-ZPK4K, PWsinZPKK^PK/sinZPlQK, PK2 = (YK_YP)2 + (ZK_ZP)2 ，所以PK4二PK'sinZPKK4/sinZPK4K， Fk=(/-PK4)'tgZPK4K。 v〈0時(shí)ZFPP2=0.5A e—V-6zo， ZFPK=ZKPP2-ZFPP2，其余與vX)時(shí)相同。因此、Y s =0°時(shí)任意時(shí)刻主射面內(nèi)拋物線上任意點(diǎn)的光斑距離均可求出。
權(quán)利要求
1、一種定點(diǎn)聚光反射鏡，其特征是以一特定曲線為母線繞主軸旋轉(zhuǎn)并截取一定面積而成，跟蹤太陽(yáng)時(shí)、其繞主光軸旋轉(zhuǎn)η度，同時(shí)繞頂點(diǎn)P旋轉(zhuǎn)0.5Δε度，且定期對(duì)赤緯角差值Δδ進(jìn)行跟蹤。
2、 權(quán)利要求l所述的定點(diǎn)聚光反射鏡，其特征在于所述特定曲線是Y^2a/(Z-B)拋物線， 且以Y2=2a/(Z-B)拋物線為母線繞主軸作圓弧旋轉(zhuǎn)并截取一定面積而成鏡面。
3、 權(quán)利要求1所述的定點(diǎn)聚光反射鏡，其特征在于所述主光軸與吸光口的法線及導(dǎo)光罩 軸線三線合一，所述導(dǎo)光罩的低面小于吸光口，導(dǎo)光罩的內(nèi)表面粘鍍反射膜。
全文摘要
本申請(qǐng)是一種定點(diǎn)聚光反射鏡，涉及太陽(yáng)能利用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種太陽(yáng)定點(diǎn)聚光反射鏡。定點(diǎn)聚光反射鏡是以一特定曲線為母線繞主軸旋轉(zhuǎn)并截取一定面積而成，跟蹤太陽(yáng)時(shí)、其繞主光軸旋轉(zhuǎn)η度，使主射面平行于太陽(yáng)光線，同時(shí)繞頂點(diǎn)P旋轉(zhuǎn)0.5Δε度，且定期對(duì)赤緯角差值Δδ進(jìn)行跟蹤，使任意工況時(shí)、反射鏡的反射線都聚光于定點(diǎn)F；反射鏡的聚光點(diǎn)固定、且聚光點(diǎn)可高于、低于或與反射鏡平行并可布置成鏡陣，安裝不受地形限制?？蓮V泛應(yīng)用于太陽(yáng)能利用領(lǐng)域，可安裝布置成太陽(yáng)能冶煉爐等大功率點(diǎn)式系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G02B5/10GK101625432SQ20081002938
公開(kāi)日2010年1月13日 申請(qǐng)日期2008年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月11日
發(fā)明者陳紅專 申請(qǐng)人:陳紅專