專利名稱：非近軸高次柱面組成的平板式反射聚光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于太陽(yáng)能光熱、光電裝置中的聚光器，特別是一種能夠用于槽式系統(tǒng)的、制作簡(jiǎn)單、成本較低、有拼接性的由多個(gè)非近軸高次柱面組成的平板式太陽(yáng)能反射聚光器。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能反射聚光器的反射面一般都是局限于使用二次曲面或柱面描述的聚光面， 之所以如此，因?yàn)槲覀兡壳暗姆瓷渚酃馄鞯脑O(shè)計(jì)原理仍然使用近軸光線聚光的傳統(tǒng)光學(xué)原理。在近軸光線的情況下，這些聚光器的反射面可以是球面，用二次曲面方程式表示為
(1)
⑵
⑶
⑷x2+y2+z2 = R2其點(diǎn)焦距為* ；可以是圓柱面，用二次曲面方程式表示為x2+z2 = R2其線焦距為* ；可以是拋物面，用二次曲面方程式表示為x2+y2 = 2Pz其點(diǎn)焦距為可以是拋物柱面，用二次曲面方程式表示為χ2 = 2Pz其線焦距為f。使用上述的球面和拋物面或者他們相對(duì)應(yīng)的柱面，在太陽(yáng)能反射聚光器的應(yīng)用中出現(xiàn)了常用的塔式球面定日鏡，拋物面碟式點(diǎn)聚焦和拋物柱面槽式線聚焦的三種太陽(yáng)能
聚光器。球面塔式定日鏡太陽(yáng)能反射聚光器是在一個(gè)高大的塔的四周安置大量的由平面或具有一定曲率的球面的定日鏡所組成的太陽(yáng)能聚光系統(tǒng)。拋物面碟式點(diǎn)聚焦反射聚光器是利用追日系統(tǒng)將平行正入射于拋物面反射鏡的太陽(yáng)光聚焦到一個(gè)焦點(diǎn)的太陽(yáng)能聚光系統(tǒng)。拋物柱面槽式線聚焦是利用追日系統(tǒng)將平行正入射于拋物柱面反射鏡的太陽(yáng)光聚焦于一條線的聚光系統(tǒng)。所有這些聚光器，特別是在太陽(yáng)能熱發(fā)電方面已經(jīng)成為目前主要應(yīng)用的聚光器件。無(wú)論是球面反射鏡或者是拋物面反射鏡或者是拋物柱面反射鏡，其特點(diǎn)均為需要在太陽(yáng)能聚光的應(yīng)用中制作一種三維的曲面或柱面進(jìn)行聚焦。這個(gè)三維曲面或柱面應(yīng)當(dāng)盡可能地接近數(shù)學(xué)描述的二次曲面或柱面。這樣的曲面或柱面的制作無(wú)論是在成形、耗材、運(yùn)輸?shù)确矫娴母叱杀臼秋@而易見(jiàn)的。如果能使用一種平板式的聚焦器件，聚光器的制作無(wú)論是在成形、耗材、運(yùn)輸?shù)确矫娴牡统杀臼强赡軐?shí)現(xiàn)的。菲涅爾反射鏡是一種平板式的反射聚光器，然而，由于在太陽(yáng)能聚焦的應(yīng)用中，在大規(guī)模的光電、光熱系統(tǒng)中，所需的反射鏡的尺寸都比較大，一般在幾米以上，我們知道，對(duì)于菲涅爾反射鏡而言，距中心愈遠(yuǎn)處的刻紋會(huì)愈來(lái)愈密集，從而這樣尺寸的菲涅爾反射鏡的制造的成本是相當(dāng)高昂的，這就使得平板式的菲涅爾反射鏡無(wú)法應(yīng)用于現(xiàn)有大規(guī)模的光電、光熱系統(tǒng)中。陳應(yīng)天、李莉等人使用無(wú)光象光學(xué)的概念，提出了一種非近軸光線聚焦的新的反射曲面，這種曲面是由無(wú)窮項(xiàng)高次方程式表示的Z (x, y) = Ax2+Bx3+ay2+by4+ α xy2+ β x2y2+......其中A，B，a，b，α，β等系數(shù)是入射角與焦距的函數(shù)，由以上高次方程式表示的曲面稱為非近軸高次曲面。非近軸高次曲面作為一種新的太陽(yáng)能反射聚光器已經(jīng)被陳應(yīng)天等人應(yīng)用于太陽(yáng)灶(專利號(hào)200510200037. X，專利名稱分立式全天跟蹤太陽(yáng)灶)和太陽(yáng)爐(專利號(hào): 200810213419. X，專利名稱一種采用自旋仰角跟蹤方式的太陽(yáng)爐)中。在上述兩種發(fā)明中，非近軸高次曲面是作為定日鏡使用的，在定日鏡系統(tǒng)中，不同的入射角是隨時(shí)間而變化的。本發(fā)明所披露的是針對(duì)一種在同一時(shí)間內(nèi)的不同入射角的情況下，不同曲面組合成平板式的聚光器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種克服傳統(tǒng)的太陽(yáng)能聚光器高成本的缺點(diǎn)的新的器件，即一種能夠用于槽式系統(tǒng)的制作簡(jiǎn)單、成本較低、有拼接性的由多個(gè)非近軸高次曲面組成的平板式反射聚光器。本發(fā)明提供了一種平板式反射聚光器，其特征在于，包括數(shù)個(gè)排成平板式的非近軸高次柱面，每個(gè)柱面的反射面形狀可以用無(wú)窮項(xiàng)高次多項(xiàng)式表示其中A，B等系數(shù)是每個(gè)柱面中心線處對(duì)于平板正投射的的平行光線的入射角θ 和線焦距L的函數(shù)。所述柱面的反射面形狀進(jìn)一步可以表示為
權(quán)利要求
1.一種平板式反射聚光器，其特征在于，包括數(shù)個(gè)排成平板的非近軸高次柱面，每個(gè)柱面的反射面形狀可以用無(wú)窮項(xiàng)高次多項(xiàng)式表示ζ (χ) = AX2+BX3+............(5)其中A，B等系數(shù)是每個(gè)柱面中心線處對(duì)于平板正投射的平行光線的入射角θ和線焦距L的函數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平板式反射聚光器，其特征為所述柱面的反射面形狀進(jìn)一步可以表示為ζ(χ) = ^χ2-^x3+......(6)2(2L) 3(2Z)2其中θ角為每個(gè)柱面中心線處對(duì)于平板正投射的平行光線的入射角，L為每個(gè)柱面的線焦距。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的平板式反射聚光器，其特征為該平板式反射聚光器在平板寬度方向中心對(duì)稱。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的平板式反射聚光器，其特征為每個(gè)高次柱面的寬度相等，均為D。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的平板式反射聚光器，其特征為從中部的零級(jí)柱面數(shù)起，向左或右，依次的柱面分別為1級(jí)柱面，2級(jí)柱面，3級(jí)柱面，…，η級(jí)柱面，對(duì)于第η級(jí)的高次柱面，所述柱面的反射面形狀可以表示為Z(X) =-sin2^2X3+......(7)2(2、) 3(24)2其中θ 為η級(jí)柱面中心線處對(duì)于平板正投射的平行光線的入射角，LnS η級(jí)柱面的線焦距。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的平板式反射聚光器，其特征為所述入射角和線焦距分別為en = l-arctg(f-)(8.1)Ln =^ L0+(nD)2(8.2)其中Ltl為零級(jí)柱面的線焦距。
7.根據(jù)權(quán)利要求4-6任一所述的平板式反射聚光器，其特征為每個(gè)柱面中心線坐標(biāo)為χ = 0點(diǎn)，χ取值為-D/2到D/2之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的平板式反射聚光器，其特征為所有反射柱面的底部中心線都位于一個(gè)平面上。
9.根據(jù)權(quán)利要求4-8任一所述的平板式反射聚光器，其特征為1級(jí)柱面，2級(jí)柱面，3 級(jí)柱面，……η級(jí)柱面，相對(duì)于平板平面的傾斜角度，即第η級(jí)柱面的中心線處的切線相對(duì)于平板平面的傾斜角度由公式(8. 1)所規(guī)定。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一所述的平板式反射聚光器，其特征為所述柱面形狀的方程式(5)，(6)，(7)中，χ只取到3次方，舍去高次項(xiàng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種采用非近軸高次曲面組合而成的平板式的太陽(yáng)能反射聚光器，旨在提供一種成本較低、制作簡(jiǎn)單、用于太陽(yáng)能槽式聚光的新器件。本發(fā)明將多個(gè)不同的非近軸高次柱面組合成平面，實(shí)現(xiàn)了平板式的太陽(yáng)能槽式聚光。該平板式的太陽(yáng)能反射聚光器可以在一個(gè)二維的平板上，使用數(shù)控機(jī)床加工成多段的高次柱面，每段柱面的寬度可以相等也可以不相等，對(duì)于每一特定的高次柱面的參數(shù)，每個(gè)柱面中心線的入射角和相應(yīng)的線焦距，可以根據(jù)所設(shè)計(jì)的幾何關(guān)系模式進(jìn)行推導(dǎo)，然后根據(jù)本發(fā)明所提供的公式計(jì)算出高次柱面的形狀。本發(fā)明在槽式太陽(yáng)能發(fā)電、槽式太陽(yáng)能蒸汽、槽式太陽(yáng)能取暖器有很大的應(yīng)用空間，可以代替現(xiàn)有技術(shù)中的槽式拋物面聚光器。
文檔編號(hào)G02B7/182GK102566022SQ20121005054
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月29日
發(fā)明者陳應(yīng)天 申請(qǐng)人:陳應(yīng)天