專利名稱：四重拋物柱面聚光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及太陽能利用技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種對太陽光進行聚光的光學(xué)
直O(jiān)
背景技術(shù)：
太陽能是一種清潔無污染的可再生能源，取之不盡，用之不竭，充分開發(fā)利用太陽 能不僅可以節(jié)約日益枯竭的常規(guī)能源，緩解嚴(yán)峻的資源短缺問題，而且還可以減少污染，保 護人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境。在眾多的太陽能利用技術(shù)中，最為常見的有太陽能光伏發(fā)電、太陽能光熱發(fā)電、太 陽能熱水器等。目前，在太陽能光伏發(fā)電中，絕大多數(shù)采用的是硅電池片的光伏發(fā)電技術(shù)， 而硅電池片只將到達地面的太陽能的15%左右的能量轉(zhuǎn)換為電能，太陽能的利用效率總體 還是比較低的。太陽能光熱發(fā)電技術(shù)中，主要是先對太陽光進行聚光，達到中高溫后，再利用其熱 量進行發(fā)電。包括太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在內(nèi)，目前的聚光技術(shù)主要有反射式聚光和透射式 聚光兩類。反射式聚光主要分塔式、碟式、槽式、和線性菲涅爾四種形式。透射式聚光主要 采用普通的圓弧面透鏡和菲涅爾透鏡兩種形式。而太陽能是一種能量密度比較低的資源， 因此要求無論是反射式聚光還是透射式聚光，都要求將采光面積設(shè)置的比較大。而普通的 圓弧面透鏡要做得比較大時，其工藝成本就會直線上升，尤其是重量太大，一般只在天文望 遠鏡等特殊場合使用。菲涅爾透鏡的面積做得比較大時，也存在加工工藝難、成本過高的問 題。目前最常用的三種菲涅爾透鏡的制造工藝有壓模、注模和聚化物浮花壓制加工。壓 模和聚化物浮花壓制加工可以達到較好的溝槽效果，但成本高。而注模工藝成本低，但使用 壽命短，一般低于10年。這三種菲涅爾透鏡的制造工藝都需要在玻璃的背面上結(jié)合一種塑 料。這種透鏡的主要問題是聚光不均勻、塑料與玻璃之間的熱膨脹率不同容易造成脫落、塑 料在太陽光下容易老化和發(fā)黃。目前，有一種叫做“光漏斗”的聚光器，它的缺點是聚光不均勻、聚光光線方向不一 致、聚光倍數(shù)有上限，而且當(dāng)聚光倍數(shù)接近上限時，這種聚光器的尺寸會非常大，存在制造 與安裝時的難題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種易于制造、成本低廉、性價比高、沒有聚光倍數(shù)上限限 制的新型聚光光學(xué)裝置。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術(shù)解決方案是一種四重拋物柱面聚光器，它包 括至少一組四重拋物柱面聚光單元。四重拋物柱面聚光單元由一次拋物柱面反射鏡、二次拋物柱面反射鏡、三次拋物 柱面反射鏡、四次拋物柱面反射鏡組成，用表面可以反射光線的簿板材料制作，如鏡面不銹 鋼板、鍍膜塑料板、鍍膜玻璃板等。在迪卡爾坐標(biāo)xyz空間內(nèi)，四個拋物反射鏡面分別是四個不同拋物曲面的一部分，都朝同一方向開口，即向y軸方向開口。一次拋物柱面反射鏡和 三次拋物柱面反射鏡的反射面都是內(nèi)側(cè)表面反射；二次拋物柱面反射鏡和四次拋物柱面反 射鏡的反射面都是外側(cè)表面反射。一次拋物柱面反射鏡和二次拋物柱面反射鏡具有相同的焦線，具有相同的對稱 面，且一次拋物柱面反射鏡的焦距大于二次拋物柱面反射鏡的焦距；一次拋物柱面反射鏡 和二次拋物柱面反射鏡在xz平面內(nèi)的投影不相交；一次拋物柱面反射鏡的靠近頂點的一 側(cè)邊和二次拋物柱面反射鏡的遠離頂點的一側(cè)邊在XZ平面內(nèi)的投影無限接近；當(dāng)光線沿 坐標(biāo)軸yo方向，即沿平行于一次拋物柱面反射鏡的對稱面、且垂直于它的焦線、且由開口 向頂點方向入射時，經(jīng)一次拋物柱面反射鏡的反射，光線全部到達二次拋物柱面反射鏡的 外表面，由光學(xué)和幾何學(xué)知識可知，這些光線再經(jīng)過二次拋物柱面反射鏡的反射，仍會沿坐 標(biāo)軸yo方向，即沿平行于一次拋物柱面反射鏡的對稱面、且垂直于它的焦線、且由開口向 頂點方向傳播。三次拋物柱面反射鏡和二次拋物柱面反射鏡在XZ坐標(biāo)平面上的投影重合；三次 拋物柱面反射鏡上的任一點的y坐標(biāo)的最大值均小于二次拋物柱面反射鏡和一次拋物柱 面反射鏡的任一點y值，即三次拋物柱面反射鏡在二次拋物柱面反射鏡和一次拋物柱面反 射鏡的下方。三次拋物柱面反射鏡、四次拋物柱面反射鏡具有相同的焦線，具有相同的對稱面， 即Xy坐標(biāo)平面，且三次拋物柱面反射鏡的焦距大于四次拋物柱面反射鏡的焦距；三次拋物 柱面反射鏡和四次拋物柱面反射鏡具有的相同的焦線與一次拋物柱面反射鏡和二次拋物 柱面反射鏡具有的相同的焦線之間互相垂直；三次拋物柱面反射鏡和四次拋物柱面反射鏡 在XZ平面內(nèi)的投影不相交；三次拋物柱面反射鏡的靠近頂點的一側(cè)邊和四次拋物柱面反 射鏡的遠離頂點的一側(cè)邊在XZ平面內(nèi)的投影無限接近；當(dāng)光線沿坐標(biāo)軸yo方向，即沿平行 于一次拋物柱面反射鏡的對稱面、且垂直于它的焦線、且由開口向頂點方向入射時，經(jīng)三次 拋物柱面反射鏡的反射，光線全部到達四次拋物柱面反射鏡的外反射表面，由光學(xué)和幾何 學(xué)知識可知，這些光線再經(jīng)過四次拋物柱面反射鏡的反射，仍會沿坐標(biāo)軸yo方向，即沿平 行于三次拋物柱面反射鏡的對稱面、且垂直于它的焦線、且由開口向頂點方向傳播。當(dāng)給定區(qū)域內(nèi)的光線沿坐標(biāo)軸yo方向，即沿平行于一次拋物柱面反射鏡的對稱 面、且垂直于它的焦線、且由開口向頂點方向入射時，經(jīng)一次拋物柱面反射鏡的反射，光線 全部到達二次拋物柱面反射鏡的外反射表面，這些光線再經(jīng)過二次拋物柱面反射鏡的反 射，仍會沿坐標(biāo)軸yo方向傳播，再經(jīng)過三次拋物柱面反射鏡的反射，射向四次拋物柱面反 射鏡的表面，再經(jīng)過它的反射后，仍沿坐標(biāo)軸 ο方向傳播，并最終匯聚到一個更小的確定 的區(qū)域內(nèi)，從而實現(xiàn)光線的匯聚功能。相反，當(dāng)給定區(qū)域內(nèi)的光線沿坐標(biāo)軸oy方向，即沿平行于一次拋物柱面反射鏡的 對稱面、且垂直于它的焦線、且由頂點向開口方向入射時，分別經(jīng)過四次拋物柱面反射鏡、 三次拋物柱面反射鏡、二次拋物柱面反射鏡、一次拋物柱面反射鏡的反射，光線最終會擴散 在更大的確定的區(qū)域內(nèi)，從而實現(xiàn)光線的擴散功能。沿坐標(biāo)軸oy方向，即沿平行于一次拋物柱面反射鏡的對稱面、且垂直于它的焦線 的方向的光線，經(jīng)過四重拋物柱面聚光單元的匯聚或擴散作用后，入射光線與出射光線之 間是平行關(guān)系，因此，四重拋物柱面聚光單元以及由四重拋物柱面聚光單元組成的四重拋物柱面聚光器具有透鏡組的功能，完全可以用于太陽能聚光，也可以用于望遠鏡、顯微鏡等 光學(xué)儀器中。由于四重拋物柱面聚光單元中的四個拋物反射面可采用普通的表面可以反射 光線的簿板材料安裝在拋物曲線的模具上實現(xiàn)光線的匯聚與擴散功能，因此，四重拋物柱 面聚光單元以及由四重拋物柱面聚光單元組成的四重拋物柱面聚光器可以制做成相當(dāng)大 的體積，與制做常規(guī)透鏡相比，具有成本低廉，加工容易的巨大優(yōu)勢。

圖1是本實用新型的側(cè)俯視結(jié)構(gòu)與光路示意圖；圖2是本實用新型的四重拋物柱面聚光單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實用新型的四重拋物柱面聚光單元結(jié)構(gòu)示意圖圖4是本實用新型的四重拋物柱面聚光單元的前視圖；圖5是本實用新型的四重拋物柱面聚光單元的左視圖；圖6是本實用新型的四重拋物柱面聚光單元的頂視圖。圖中標(biāo)號說明如下10-四重拋物柱面聚光單元、1-一次拋物柱面反射鏡、2-二次拋物柱面反射鏡、 3-三次拋物柱面反射鏡、4-四次拋物柱面反射鏡。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型是一種四重拋物柱面聚光器，它包括至少一組四重拋物 柱面聚光單元10。如圖2、圖3、圖4、圖5所示，四重拋物柱面聚光單元10由一次拋物柱面反射鏡1、 二次拋物柱面反射鏡2、三次拋物柱面反射鏡3、四次拋物柱面反射鏡4組成，用表面可以反 射光線的簿板材料制作，如鏡面不銹鋼板、鍍膜塑料板、鍍膜玻璃板等。在迪卡爾坐標(biāo)xyz 空間內(nèi)，一次拋物柱面反射鏡1的反射面E1F1G1H1、二次拋物柱面反射鏡2的反射面E2F#2H2、 三次拋物柱面反射鏡3的反射面&F3G3H3、四次拋物柱面反射鏡4的反射面E4F4G4H4，分別是 四個不同拋物曲面的一部分，都朝同一方向開口，即向y軸方向開口。一次拋物柱面反射鏡 1的反射面E1F1G1H1和三次拋物柱面反射鏡3的反射面^F3G3H3都是內(nèi)側(cè)表面反射；二次拋 物柱面反射鏡2的反射面E2Ff2H2和四次拋物柱面反射鏡4的反射面^F4G4H4都是外側(cè)表 面反射。一次拋物柱面反射鏡1的反射面E1F1G1H1和二次拋物柱面反射鏡2的反射面 E2F2G2H2具有相同的焦線MN，具有相同的對稱面，即zy坐標(biāo)平面，且一次拋物柱面反射鏡1 的反射面E1F1G1H1的焦距大于二次拋物柱面反射鏡2的反射面E2F2G2H2的焦距；一次拋物柱 面反射鏡1的反射面E1F1G1H1和二次拋物柱面反射鏡2的反射面E2Ff2H2在xz平面內(nèi)的投 影不相交；一次拋物柱面反射鏡1的反射面E1F1G1H1的靠近頂點的一側(cè)邊G1H1和二次拋物 柱面反射鏡2的反射面E2F2G2H2的遠離頂點的一側(cè)邊E2F2在xz平面內(nèi)的投影無限接近；當(dāng) 光線沿坐標(biāo)軸yo方向，即沿平行于一次拋物柱面反射鏡1的對稱面、且垂直于它的焦線、且 由開口向頂點方向入射時，經(jīng)一次拋物柱面反射鏡1的反射面E1F1G1H1的反射，光線全部到 達二次拋物柱面反射鏡2的反射面E2Ff2H2的外反射表面，由光學(xué)和幾何學(xué)知識可知，這些 光線再經(jīng)過二次拋物柱面反射鏡2的外反射面E2F2G2H2的反射，仍會沿坐標(biāo)軸yo方向，即沿平行于一次拋物柱面反射鏡1的對稱面、且垂直于它的焦線、且由開口向頂點方向傳播；一 次拋物柱面反射鏡1的反射面E1F1G1H1和二次拋物柱面反射鏡2的反射面E2F2G2H2之間存 在一一對應(yīng)關(guān)系。三次拋物柱面反射鏡3的反射面^F3G3H3和二次拋物柱面反射鏡2的反射面 E2F2G2H2在xz坐標(biāo)平面上的投影重合；三次拋物柱面反射鏡3的反射面E3F3G3H3上的任一點 的y坐標(biāo)的最大值均小于二次拋物柱面反射鏡2的反射面E2F2G2H2和一次拋物柱面反射鏡 1的反射面E1F1G1H1的任一點，即三次拋物柱面反射鏡3的反射面E3F3G3H3在二次拋物柱面 反射鏡2的反射面E2Ff2H2和一次拋物柱面反射鏡1的反射面E1F1G1H1的下方。三次拋物柱面反射鏡3的反射面E3F3G3H3、四次拋物柱面反射鏡4的反射面^F4G4H4 具有相同的焦線UV，具有相同的對稱面，即xy坐標(biāo)平面，且三次拋物柱面反射鏡3的反射 面E3F3G3H3的焦距大于四次拋物柱面反射鏡4的反射面^F4G4H4的焦距；焦線UV與焦線MN 在空間上互相垂直；三次拋物柱面反射鏡3的反射面E3F3G3H3、四次拋物柱面反射鏡4的反 射面^F4G4H4在XZ平面內(nèi)的投影不相交；三次拋物柱面反射鏡3的反射面E3F3G3H3的靠近 頂點的一側(cè)邊G3H3和四次拋物柱面反射鏡4的反射面E4Ff4H4的遠離頂點的一側(cè)邊^(qū)F4在 xz平面內(nèi)的投影無限接近；當(dāng)光線沿坐標(biāo)軸yo方向，即沿平行于一次拋物柱面反射鏡3的 對稱面、且垂直于它的焦線、且由開口向頂點方向入射時，經(jīng)三次拋物柱面反射鏡3的反射 面E3F3G3H3的反射，光線全部到達四次拋物柱面反射鏡4的反射面^F4G4H4的外反射表面，由 光學(xué)和幾何學(xué)知識可知，這些光線再經(jīng)過四次拋物柱面反射鏡4的反射面^F4G4H4的反射， 仍會沿坐標(biāo)軸yo方向，即沿平行于三次拋物柱面反射鏡3的對稱面、且垂直于它的焦線、且 由開口向頂點方向傳播；三次拋物柱面反射鏡3的反射面E3F3G3H3和四次拋物柱面反射鏡4 的反射面^F4G4H4之間存在一一對應(yīng)關(guān)系。如圖2、圖3、圖6所示，當(dāng)AciBciCtlDci區(qū)域內(nèi)的光線沿坐標(biāo)軸yo方向，即沿平行于一 次拋物柱面反射鏡1的對稱面、且垂直于它的焦線、且由開口向頂點方向入射時，經(jīng)一次拋 物柱面反射鏡1的反射面E1F1G1H1的反射，光線全部到達二次拋物柱面反射鏡2的反射面 E2F2G2H2的外反射表面，這些光線再經(jīng)過二次拋物柱面反射鏡2的外反射面E2Ff2H2的反射， 仍會沿坐標(biāo)軸yo方向傳播，再經(jīng)過三次拋物柱面反射鏡3的反射面^F3G3H3的反射，射向 四次拋物柱面反射鏡4的反射面^F4G4H4的表面，再經(jīng)過它的反射后，仍沿坐標(biāo)軸yo方向 傳播，并最終匯聚到A5B5C5D5區(qū)域內(nèi)，從而實現(xiàn)光線的匯聚功能。A0B0C0D0區(qū)域內(nèi)的每一點與 A5B5C5D5區(qū)域內(nèi)每一點存在一一對應(yīng)的關(guān)系。相反，當(dāng)A5B5C5D5區(qū)域內(nèi)的光線沿坐標(biāo)軸oy方向，即沿平行于一次拋物柱面反射 鏡1的對稱面、且垂直于它的焦線、且由頂點向開口方向入射時，分別經(jīng)過四次拋物柱面反 射鏡4的反射面E4F4G4H4、三次拋物柱面反射鏡3的反射面E3F3G3H3、二次拋物柱面反射鏡2 的外反射面E2F2G2H2、一次拋物柱面反射鏡1的反射面E1F1G1H1的反射，光線最終會擴散在 A0B0C0D0區(qū)域內(nèi)，從而實現(xiàn)光線的擴散功能。如圖1、圖2、圖3所示，沿坐標(biāo)軸oy方向，即沿平行于一次拋物柱面反射鏡1的對 稱面、且垂直于它的焦線的方向的光線，經(jīng)過四重拋物柱面聚光單元10的匯聚或擴散作用 后，入射光線與出射光線之間是平行關(guān)系，因此，四重拋物柱面聚光單元10以及由四重拋 物柱面聚光單元10組成的四重拋物柱面聚光器1具有透鏡組的功能，完全可以用于太陽能 聚光，也可以用于望遠鏡、顯微鏡等光學(xué)儀器中。由于四重拋物柱面聚光單元10中的四個拋物反射面可采用普通的表面可以反射光線的簿板材料安裝在拋物曲線的模具上實現(xiàn)光 線的匯聚與擴散功能，因此，四重拋物柱面聚光單元10以及由四重拋物柱面聚光單元10組 成的四重拋物柱面聚光器1可以制做成相當(dāng)大的體積，與制做常規(guī)透鏡相比，具有成本低 廉，加工容易的巨大優(yōu)勢。 如圖2、圖3、圖4、圖5所示，四重拋物柱面聚光單元10的一次拋物柱面反射鏡1 和三次拋物柱面反射鏡3、二次拋物柱面反射鏡2和四次拋物柱面反射鏡4的焦距為不同數(shù) 值時，四重拋物柱面聚光單元10以及由四重拋物柱面聚光單元10組成的四重拋物柱面聚 光器1形成的透鏡，對平行光線的匯聚與擴散倍數(shù)也發(fā)生變化。從理論上計算，四重拋物柱 面聚光單元10以及由四重拋物柱面聚光單元10組成的四重拋物柱面聚光器1對平行光線 的匯聚與擴散倍數(shù)是沒有上限的。
權(quán)利要求1.一種四重拋物柱面聚光器，其特征在于它包括至少一組四重拋物柱面聚光單元 (10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四重拋物柱面聚光器，其特征在于四重拋物柱面聚光單元 (10)由一次拋物柱面反射鏡(1)、二次拋物柱面反射鏡O)、三次拋物柱面反射鏡(3)、四次 拋物柱面反射鏡(4)組成，用表面反射光線的簿板材料制作；在迪卡爾坐標(biāo)xyz空間內(nèi)，一 次拋物柱面反射鏡(1)的反射面、二次拋物柱面反射鏡(2)的反射面、三次拋物柱面反射鏡 (3)的反射面、四次拋物柱面反射鏡的反射面，分別是四個不同拋物曲面的一部分，開 口方向相同，即向y軸方向開口 ； 一次拋物柱面反射鏡(1)的反射面和三次拋物柱面反射鏡 (3)的反射面都是內(nèi)側(cè)表面反射；二次拋物柱面反射鏡O)的反射面和四次拋物柱面反射 鏡(4)的反射面都是外側(cè)表面反射；一次拋物柱面反射鏡(1)和二次拋物柱面反射鏡(2) 具有相同的焦線，具有相同的對稱面，即zy坐標(biāo)平面，且一次拋物柱面反射鏡(1)的焦距大 于二次拋物柱面反射鏡O)的焦距；一次拋物柱面反射鏡(1)和二次拋物柱面反射鏡(2) 在xz平面內(nèi)的投影不相交；一次拋物柱面反射鏡(1)的反射面的靠近頂點的一側(cè)邊和二次 拋物柱面反射鏡O)的反射面的遠離頂點的一側(cè)邊在xz平面內(nèi)的投影接近。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四重拋物柱面聚光器，其特征在于四重拋物柱面聚光單元 (10)中的三次拋物柱面反射鏡(3)的反射面和二次拋物柱面反射鏡O)的反射面在xz坐 標(biāo)平面上的投影重合；三次拋物柱面反射鏡(3)的反射面在二次拋物柱面反射鏡O)的反 射面和一次拋物柱面反射鏡(1)的反射面的下方。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四重拋物柱面聚光器，其特征在于四重拋物柱面聚光單元 (10)中的三次拋物柱面反射鏡(3)、四次拋物柱面反射鏡(4)具有相同的焦線，具有相同的 對稱面，即xy坐標(biāo)平面，且三次拋物柱面反射鏡(3)的焦距大于四次拋物柱面反射鏡(4) 的焦距；三次拋物柱面反射鏡和四次拋物柱面反射鏡具有的相同的焦線與一次拋物柱面反 射鏡和二次拋物柱面反射鏡具有的相同的焦線之間互相垂直；三次拋物柱面反射鏡(3)的 反射面和四次拋物柱面反射鏡(4)的反射面在xz平面內(nèi)的投影不相交；三次拋物柱面反射 鏡(3)的反射面的靠近頂點的一側(cè)邊和四次拋物柱面反射鏡(4)的反射面的遠離頂點的一 側(cè)邊在xz平面內(nèi)的投影接近。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四重拋物柱面聚光器，其特征在于光線沿坐標(biāo)軸yo方向， 即沿平行于一次拋物柱面反射鏡(1)的對稱面、且垂直于它的焦線入射，經(jīng)四重拋物柱面 聚光單元(10)中的四個拋物反射柱面的反射，光線發(fā)生匯聚或擴散，入射光線平行于出射 光線。
專利摘要本實用新型公開了一種四重拋物柱面聚光器，它包括至少一組四重拋物柱面聚光單元。四重拋物柱面聚光單元由四個拋物柱面反射鏡組成，分別是四個不同拋物曲面的一部分，開口方向相同。一次拋物柱面反射鏡和二次拋物柱面反射鏡具有相同焦線和對稱面。三次拋物柱面反射鏡和四次拋物柱面反射鏡具有相同的焦線和相同的對稱面，三次拋物柱面反射鏡和四次拋物柱面反射鏡的焦線與一次拋物柱面反射鏡和二次拋物柱面反射鏡的焦線之間垂直；四重拋物柱面聚光器對光線有匯聚或擴散作用，且入射與出射光線平行，四重拋物柱面聚光單元和由其組成的四重拋物柱面聚光器可用做透鏡組，用于太陽能聚光，可制作成較大體積，沒有聚光倍數(shù)上限限制，成本低，加工容易。
文檔編號G02B19/00GK201852991SQ20102057619
公開日2011年6月1日 申請日期2010年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月26日
發(fā)明者張德勝 申請人:張德勝