一種分段式等光強(qiáng)反射聚光鏡及其設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于透鏡技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種分段式等光強(qiáng)反射聚光鏡及其設(shè)計方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 太陽能作為地球上所有能源的總源頭，不僅綠色環(huán)保，而且儲量巨大，可持續(xù)利 用，是當(dāng)今研究的前沿以及熱點(diǎn)。但由于加工工藝以及現(xiàn)有的產(chǎn)品設(shè)計存在種種弊端，導(dǎo)致 太陽能的利用率較低且成本消耗嚴(yán)重，因此，如何能以低成本實(shí)現(xiàn)太陽能的高效率利用，也 成為了科學(xué)家研究的方向。
[0003] 關(guān)于太陽能聚光發(fā)電的國際性會議首次在2002年5月召開，會議表明光伏聚光系 統(tǒng)是一項(xiàng)很有潛力的技術(shù)，光伏技術(shù)即通過反射鏡或透鏡使太陽光輻照度加強(qiáng)后投射到面 積小但性能優(yōu)的光伏板上，提高太陽能光照的利用率并降低成本，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。
[0004] 研究學(xué)家對反射鏡的聚光特性進(jìn)行模擬研究的結(jié)果表示，微小的反射鏡面形變化 也會明顯降低聚光效果，但現(xiàn)今許多研究中都忽視反射鏡面形所帶來的聚光效果影響，近 似地認(rèn)為反射鏡是直接將太陽光線反射聚集到光伏板平面上。因此，現(xiàn)有技術(shù)中的反射聚 光鏡存在局部受熱不均勻的缺陷，容易導(dǎo)致光伏板因局部溫度過高而損壞，聚光集熱效果 不甚理想。此外，現(xiàn)有技術(shù)中的反射聚光鏡的設(shè)計方法復(fù)雜，且不能實(shí)現(xiàn)靈活的調(diào)整。
[0005] 有鑒于此，本發(fā)明旨在提供一種分段式等光強(qiáng)反射聚光鏡及其設(shè)計方法，其抓住 反射鏡面形變化能改變聚光效果的特點(diǎn)，采用分段式設(shè)計的思想，對每塊不同高度以及傾 斜角度的反射鏡通過精密計算制成，從而進(jìn)一步增強(qiáng)聚光系統(tǒng)的聚光效果，提高太陽能的 轉(zhuǎn)化效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的之一在于:針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種分段式等光強(qiáng)反射聚 光鏡，其抓住反射鏡面形變化能改變聚光效果的特點(diǎn)，采用分段式設(shè)計的思想，對每塊不同 高度以及傾斜角度的反射鏡通過精密計算制成，從而進(jìn)一步增強(qiáng)聚光系統(tǒng)的聚光效果，提 高太陽能的轉(zhuǎn)化效率。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用如下技術(shù)方案：
[0008] -種分段式等光強(qiáng)反射聚光鏡，包括若干段依次連接的平面聚光鏡單元，以水平 面為基準(zhǔn)，位于正中間的所述平面聚光鏡單元與水平面平行，位于正中間的所述平面聚光 鏡單元設(shè)置為基準(zhǔn)單元，并且設(shè)置于所述基準(zhǔn)單元的右端的所述平面聚光鏡單元的傾斜度 均不相同；設(shè)置于所述基準(zhǔn)單元的左端的所述平面聚光鏡單元的傾斜度均不相同。
[0009] 作為本發(fā)明分段式等光強(qiáng)反射聚光鏡的一種改進(jìn)，所述反射聚光鏡以所述基準(zhǔn)單 元的縱向中心線所在直線為對稱軸對稱設(shè)置。
[0010] 作為本發(fā)明分段式等光強(qiáng)反射聚光鏡的一種改進(jìn)，設(shè)置于所述基準(zhǔn)單元的右側(cè)的 每段所述平面聚光鏡單元的長度均不同；設(shè)置于所述基準(zhǔn)單元的左側(cè)的每段所述平面聚光 鏡單元的長度均不同。
[0011] 作為本發(fā)明分段式等光強(qiáng)反射聚光鏡的一種改進(jìn)，設(shè)置于所述基準(zhǔn)單元的右端的 所述平面聚光鏡單元的傾斜度向右逐漸增加;設(shè)置于所述基準(zhǔn)單元的左端的所述平面聚光 鏡單元的傾斜度向左逐漸增加。
[0012] 作為本發(fā)明分段式等光強(qiáng)反射聚光鏡的一種改進(jìn)，位于最右端的所述平面聚光鏡 單元與水平面之間的夾角小于90°。
[0013] 作為本發(fā)明分段式等光強(qiáng)反射聚光鏡的一種改進(jìn)，所述位于正中間的平面聚光鏡 單元設(shè)置為非反光鏡。
[0014] 作為本發(fā)明分段式等光強(qiáng)反射聚光鏡的一種改進(jìn)，從所述基準(zhǔn)單元往右計，第i段 平面聚光鏡單元的左端點(diǎn)為(Xll，yu)，其中i大于或等于1，則該段平面聚光鏡單元的右端 點(diǎn)(x\l，/ il)為：
[0016] 其中，d為光伏板的長度的l/2，ki為該段平面聚光鏡單元的左端點(diǎn)與光伏板的左 端點(diǎn)的連線的斜率，k'η為該段平面聚光鏡單元的斜率；
[0017] V η的計算公式為：
[0019] 其中，Θ為該段平面聚光鏡單元與水平面的傾斜角度，d為光伏板的長度的1/2，αι 為該段平面聚光鏡單元的左端點(diǎn)與光伏板的左端點(diǎn)的連線和法線的夾角，h為光伏板的垂 直高度。
[0020] 相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明設(shè)計為分段式反光鏡的均勻反射聚光，在確定了光伏板 的寬度和垂直高度后，能夠自適應(yīng)地設(shè)計出當(dāng)前條件下對光能利用率最大的反射聚光鏡的 擺放位置，相對于傳統(tǒng)的設(shè)計，本發(fā)明在保證聚光能力和聚光均勻的前提下，能有效降低裝 置的高度，并且使光線均勻分布在光伏板上，從而具有很好地抗風(fēng)效果，也降低了因光伏板 局部溫度過高而被損壞的風(fēng)險。
[0021] 本發(fā)明的另一個目的在于提供一種分段式等光強(qiáng)反射聚光鏡的設(shè)計方法，包括以 下步驟：
[0022] S1，設(shè)光伏板的長度為2d，光伏板在地面上的投影處的長度也為2d，并且投影處設(shè) 置長度為2d的基準(zhǔn)單元，或者稱為第0段平面聚光鏡單元；
[0023] S2,定義太陽光垂直照射時的光線向量為F =丨0.1廣，且其模為1;對于第0段平面 聚光鏡單元，其右端點(diǎn)坐標(biāo)為(d，0)，假設(shè)反射聚光鏡的加工工藝的最小精度為dmin，則設(shè)定 每段平面聚光鏡單元的初始長度為1，制造每段平面聚光鏡單元的長度必須大于dmin，即1> dmin ；
[0024] S3，對于第i (i 2 1)段平面聚光鏡單元，任一段平面聚光鏡單元的左端點(diǎn)為(Xll， yu)，根據(jù)該點(diǎn)與光伏板的左端點(diǎn)的連線和法線的夾角cu、光伏板的垂直高度h，確定該段平 面聚光鏡單元的斜率V n，它們滿足以下方程：
[0026]其中，Θ為該段平面聚光鏡單元與水平面的傾斜角度；
[0027] S4,根據(jù)光伏板的長度2d、任一段平面聚光鏡單元的左端點(diǎn)與光伏板的左端點(diǎn)的 連線的斜率匕和該段平面聚光鏡單元的斜率V u，確定該段平面聚光鏡單元的右端點(diǎn)(Y u， y7 η)：
[0029] S5,以完成設(shè)計的平面聚光鏡單元的右端點(diǎn)（Yu j'u)作為下一段相連接的平面 聚光鏡單元的左端點(diǎn)，令χ?+ι,ιζχ' ii.yi+i.izy' η;
[0030] S6，重復(fù)第S3~S5，依次計算反射聚光鏡的每一段平面聚光鏡單元，直至當(dāng)其與水 平面的傾斜角度Θ接近
，或長度小于加工工藝所能達(dá)到的最小精度時，則停止右半部分反 光鏡的制造，然后將右半邊的設(shè)計以第〇段平面聚光鏡單元的縱向中心線為對稱軸對稱得 到左半邊部分反光鏡的設(shè)計，此時完成了整個反射聚光鏡的設(shè)計。
[0031] 相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的設(shè)計方法不同于傳統(tǒng)的設(shè)計方法，只需要給出光 伏板的寬度與光伏板的垂直高度，即可獲得符合需求的反射聚光鏡，設(shè)計方法簡單，調(diào)整靈 活且設(shè)計成本低。而且，本發(fā)明設(shè)計的反射聚光鏡中，位于基準(zhǔn)單元的同一側(cè)的每一段平面 聚光鏡單元的長度均不同，從而確保了在不同的高度下，每一段平面聚光鏡單元都能把當(dāng) 前位置的光線全部均勻地反射到光伏板上。此外，本發(fā)明設(shè)計的反射聚光鏡為分段式平面 鏡，反射的光線具有等光強(qiáng)、均勻分布的特點(diǎn)，因此，相對于傳統(tǒng)的設(shè)計方法來說，本發(fā)明的 聚光集熱效果較好，并且克服了光伏板局部受熱不均勻的弊端。
[0032]總之，本發(fā)明抓住反射鏡面形變化能改變聚光效果的特點(diǎn)，采用分段式設(shè)計的思 想，對每段不同高度以及傾斜角度的平面聚光鏡單元通過精密計算制成，從而進(jìn)一步增強(qiáng) 聚光系統(tǒng)的聚光效果，提高太陽能的轉(zhuǎn)化效率。
【附圖說明】
[0033]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034] 圖2為本發(fā)明的設(shè)計步驟符號細(xì)節(jié)圖。
[0035] 圖3為本發(fā)明的聚光光路聚焦效果圖。
[0036] 圖4為本發(fā)明聚光光線整體仿真聚焦效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明及其有益效果作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方 式并不限于此。
[0038] 如圖1所示，本發(fā)明提供的一種分段式等光強(qiáng)反射聚光鏡，包括若干段依次連接的 平面聚光鏡單元1，以水平面為基準(zhǔn)，位于正中間的平面聚光鏡單元與水平面平行，位于正 中間的平面聚光鏡單元設(shè)置為基準(zhǔn)單元2，并且設(shè)置于基準(zhǔn)單元2的右端的平面聚光鏡單元 1的傾斜度均不相同；設(shè)置于基準(zhǔn)單元2的左端的平面聚光鏡單元1的傾斜度均不相同。也就 是說，本發(fā)明是由若干段平面聚光鏡單元1依次連接而成，并且相鄰的兩段平面聚光鏡單元 1之間的傾斜程度不同，以使得該反射聚光鏡反射的光線具有等光強(qiáng)、均勻分布的特點(diǎn)。
[0039] 反射聚光鏡以基準(zhǔn)單元2的縱向中心線所在直線為對稱軸對稱設(shè)置，即整個反射 聚光鏡是對稱結(jié)構(gòu)，這樣不僅便于設(shè)計，而且便于實(shí)現(xiàn)等光強(qiáng)。
[0040] 設(shè)置于基準(zhǔn)單元2的右側(cè)的每段平面聚光鏡單元1的長度均不同；設(shè)置于基準(zhǔn)單元 2的左側(cè)的每段平面聚光鏡單元1的長度均不同，從而確保在不同的高度下，每一段平面聚 光鏡單元1都能把當(dāng)前位置的光線全部均勻地反射到光伏板上。
[0041] 設(shè)置于基準(zhǔn)單元2的右端的平面聚光鏡單元1的傾斜度向右逐漸增加;設(shè)置于基準(zhǔn) 單元2的左端的平面聚光鏡單元1的傾斜度向左逐漸增加。設(shè)置于基準(zhǔn)單元2的左側(cè)和右側(cè) 的平面聚光鏡單元1的段數(shù)均為2-10段。
[0042] 位于最右端的平面聚光鏡單元1與水平面之間的夾角小于90°，從而整個反射聚光 鏡呈開放式結(jié)構(gòu)，即平面聚光鏡單元1從基準(zhǔn)單元2分別向左右兩端逐漸向上延伸、伸展。 [0043]位于正中間的平面聚光鏡單元設(shè)置為非反光鏡，這是因?yàn)楣?