[发明专利]使用高次旋转曲面的非成像反射的太阳能聚光器

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能光伏装置中的聚光器，特别是涉及一种使用高次旋转曲面的非成像反射的低成本、高效率的太阳能低倍及高倍聚光器。

背景技术

高效率地利用太阳能进行光伏发电是解决世界能源问题的重大课题，由于太阳能是一种低密度的能量，进行低倍聚光(2-20倍)或高倍聚光(20倍以上)是提高太阳能品质因素的方法之一。用于聚光光伏的聚光器有两种类型：折射聚光器和反射聚光器；前者大多数使用透镜、光纤等；后者大多使用平面或曲面反射镜。在目前现代技术的框架内，折射聚光器的成本要高于反射聚光器，所以在成本是一个重要因素的太阳能的运用中，许多作者花了相当的精力研究反射聚光器是可以理解的。在反射聚光器中，一般使用轴对称的两级聚光，包括中央开孔的具有旋转抛物面的一次反射镜，安装于该孔的光电器件形成的被聚光面和用于反射一次反射镜的反射光线的二次反射镜。按照传统光学的设计，一次反射镜及二次反射镜的形状皆使用旋转抛物面或它们的变形，如复合抛物面等。由于所讨论的聚光器的轴对称性，我们可以在二维空间中讨论这些设计，即以装置的侧视图进行讨论。使用传统光学即使用旋转抛物面的设计有下面几种方法：

1、如图1所示，二次反射镜的面积与被聚光面大致相同，一次反射镜的旋转抛物面与二次反射镜的旋转抛物面是同焦的，这样的设计可采用二维平面图示。

在图1所示的设计中，一次反射镜1的反射面积是二次反射镜2反射面积的n倍，由于二次反射镜本身的阻挡，也由于一次反射镜开有内孔用于安装光电器件，此部分不能反射太阳光线，所以投射到二次反射曲面上的光照是不完整覆盖的，不完整覆盖的光照经具备有成像性能的二次反射镜再投射到被聚光面8上的光斑中心存在一个光照盲区，此盲区的面积是：

Δ=(l2l1)2s2---(1)]]>

其中l₁为一次反射镜焦距，l₂为二次反射镜焦距，S₂为二次反射镜的面积，如果则中心盲区的面积大约是光电器件面积的在光电器件中心有这么一个大的盲区，对聚光器而言，是一个很大的设计缺陷。

2、如图2所示，二次反射镜2的面积与被聚光面8大致相同，一次反射镜1的旋转抛物面与二次反射镜2的旋转抛物面是不同焦(6与7)的，二次反射镜的焦点在一次反射镜焦点的上方，这样的设计，可采用二维平面图示。

在图2所示的设计中，中心的盲区相应缩小了，但产生了周围的盲区，对聚光器而言，是一个很大的设计缺陷。

3、如图3所示，二次反射镜的面积与被聚光面大致相同；一次反射镜1的旋转抛物面与二次反射镜2的旋转抛物面是不同焦(6与7)的，二次反射镜的焦点在一次反射镜焦点的下方，这样的设计，可采用二维平面图示。

在图3所示的设计中，周围的盲区消失了，但中心盲区增大了，对聚光器而言，是一个很大的设计缺陷。

4、如图4所示，二次反射面2小于被聚光面8；一次反射镜1的旋转抛物面与二次反射镜2的旋转抛物面是不同焦(6与7)的，二次反射面的焦点7在一次反射镜焦点6的上方，这样的设计，可采用二维平面图示。

在图4所示的设计中，由于二次反射镜2只能覆盖并反射从一次反射镜1反射来的一部分入射光线4，所以这种设计是不可行的。

5、如图5所示，二次反射镜2的面积小于被聚光面8，一次反射镜1的旋转抛物面与二次反射镜2的旋转抛物面不同焦(6与7)，二次反射镜的焦点7在一次反射镜焦点6的下方，这样的设计可采用二维平面图示。

在图5所示设计中，二次反射镜2将从一次反射镜收集来的光线4大部分反射到非被聚光面处，所以这种设计是不可行的。