[发明专利]一种组合非球面反射型太阳能聚光镜镜面的设计方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能利用领域，特别涉及一种反射型太阳能聚焦镜中组合非球面聚光镜的设计方法。 

背景技术

收集和汇聚太阳光的聚光镜是利用太阳能的关键部件，在太阳灶以及利用太阳能点火装置中广泛应用。顾名思义, 太阳能聚光镜就是把大面积的太阳辐照光收集或者聚焦到一小的接收器或输出装置上的工具 

根据聚光方式, 聚光镜大致可以分为四类：反射式聚光、折射式聚光、折反混合式聚光和场致发光式聚光. 根据聚光镜的形状有抛物面聚光镜、双曲面聚光镜、菲涅尔聚光镜、复合抛物面聚光镜、挠曲柱面聚光镜、量子点太阳能聚光器等。在一些大型太阳能利用装置中, 多采用反射式聚光。在反射式抛物面聚光集热装置中, 光能接收器要在反射镜的上方, 挡住了部分入射光束, 减少了阳光的反射, 直接影响太阳能利用效率。因此, 为了不遮挡光路, 大部分聚光装置的设计均采用了偏轴聚焦。偏轴聚焦就是使入射光束与聚光镜的主轴成一定的夹角, 从而使聚焦点离开主轴。但是离开主轴后形成后的是焦斑而不是焦点, 且焦斑形状随光线与主轴的夹角而变化, 因此为了控制焦斑的形状, 科学家们对旋转抛物面进行了改造, 将抛物面分割成若干段的反射镜, 光学上称之为菲涅耳镜，也有把菲涅耳镜做成连续的螺旋式反光带片，俗称“蚊香式太阳灶”，这又给聚光镜面的制作带来一定困难。因此高聚光效率与简单的加工工艺不能兼顾。 不论旋转抛物面还是旋转的双曲面都是由二次函数决定的，都只有一个设计自由度，但是非球面是由高次多项式决定的，由多个参数决定其面型，并能从中心到边缘连续变化，设计自由度增多。但是随着设计自由度的增多，设计难度增大，且加工和测量难度也增大很多。

到目前为止还没有一种完整有效的方法用来设计反射型非球面太阳能聚光镜的镜面面型，从而通过非球面来实现太阳光束的偏轴聚焦。 

发明内容

为了克服旋转抛物面反射型太阳能聚光镜偏轴聚焦时存在的对旋转抛物面的改造麻烦，聚焦光斑难于控制的现象，本发明提出了一种组合非球面反射型太阳能聚光镜镜面的设计方法，使得偏轴聚焦设计简单，聚光面积增大，通过后续的数控机床加工成模具，可以实现流水线生产，加工工艺简单。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是采用如下方法步骤： 

1.      对于偶次非球面方程

上式中，，x，y，z为直角坐标系的三个坐标量，中心旋转轴为y轴，y为曲面的弯曲量，C为二次曲面的顶点曲率, 1+a₂为二次曲面系数,  a₂与二次曲面的离心率有关， a₄, a₆, a₈, a₁₀, a₁₂, a₁₄, a₁₆为非球面方程中多项式各高次项的系数；

取入射太阳光束平行于XOY面并与y轴成θ角，则入射光线行进方向上的单位向量为，其中，α₁=-sinθ, β₁=-cosθ，γ₁=0为在X，Y，Z轴上的分量，由入射光线和非球面方程求出它们的交点P(x,y,z)；

2. 根据非球面方程求P点处的法矢量；

3. 对入射光线矢量、P点处的法矢量用反射定律的矢量形式进行运算操作，得到该点处反射光线矢量；

4. 确定过坐标原点O处的反射光线上任一点P′(x′, y′, 0)为太阳光束聚焦点，x′ =-y′tanθ；

5. 取不过O点的任一反射光线上的一点P′′(x′,y′′,z′′)

P′′与P′之间的距离，其中△y＇=y〞- y＇, △z＇=z〞-0;