[发明专利]一种均匀聚光器及其设计方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能光热及光化学利用技术领域，具体涉及一种均匀聚光器及其设计方法。

背景技术

太阳能以其普遍存在、储量巨大、清洁无污染等优点成为可再生能源低成本规模化开发利用的重点。为了能够获得更多的能量或进一步提高介质温度，采用聚光器对太阳能进行收集。如复合抛物面聚光器、菲涅尔聚光器等。在对太阳能进行聚光收集的过程中，反射镜的面型对接收器上的辐照分布产生直接影响。接收器上的辐照分布是聚光器系统效率的一个重要影响因素。为了最大限度利用太阳能并且避免由于接收器上辐照分布不均匀导致的太阳热辐射负效应，在保证聚光器的光学传输效率的同时，实现接收器上辐照分布的均匀性，最终能够更好的适用于太阳能光热及光化学利用系统，所以太阳能均匀聚光器是非常必要的。

发明内容

为了解决聚光器在保证光学传输效率的同时实现接收器上辐照分布的均匀性问题，本发明根据接收器的形状、能量守恒及光线反射定律，提供了一种均匀聚光器及其设计方法。

本发明采用如下技术方案：

一种均匀聚光器，适宜在均匀辐照光源下使用，包括均匀聚光反射镜1和通过支架3固定在均匀聚光反射镜1上的圆柱形接收器2，以及固定均匀聚光反射镜1的支架4，所述圆柱形接收器2位于均匀聚光反射镜1谷底的正上方，所述均匀聚光反射镜1关于垂直轴对称；均匀辐照光源从均匀聚光反射镜1上方对其进行照射，光线经过反射后均匀地落到圆柱形接收器2上，实现将均匀聚光反射镜1上的光线聚集到圆柱形接收器2上并使辐照强度均匀分布。

上述所述均匀聚光器的设计方法，包括如下步骤：

步骤1：以圆柱形接收器2的圆心为坐标原点建立笛卡尔坐标系，具体方法为：在所述均匀聚光器的横切面建立xoy坐标系，以圆柱形接收器2的圆心为坐标原点，令xoy坐标系中的曲线为均匀聚光反射镜1曲面的母线，它由曲线组成，其中，B点和C点分别为沿圆柱形接收器2的右侧和左侧向曲线引与y轴平行的直线与曲线的相交点，曲线和曲线关于y轴对称，曲线为连接曲线与曲线的平滑曲线；

步骤2：构建用于均匀聚光反射镜1曲面母线的一般数学模型，具体方法为：

1)根据所述的均匀聚光反射镜1曲面母线关于y轴对称，故将其曲面母线的数学模型简化为讨论y轴右侧部分；

2)圆柱形接收器2在xoy坐标系中的方程表示为：x²+y²＝b²(y≥0)，其中b为圆柱形接收器2的半径，圆柱形接收器2能接收均匀聚光反射镜1曲面反射光线的最大圆心角为θ；

3)设均匀聚光反射镜1曲线的起点为B(a₁,c₁)，终点为A(a₂,c₂)，将均匀聚光反射镜1曲面下边缘的光线反射到圆柱形接收器2的下边缘，且随着光线上移反射光线逐渐布满圆柱形接收器2，最后逼近圆柱形接收器2的最大接收圆心角θ处；设某条平行于y轴沿其负方向入射的光线遇均匀聚光反射镜1曲线于点M(x,y)，反射到接收器上点N(x_b,y_b)，点N所对应的圆心角为θ_N；

4)根据能量守恒，入射到均匀聚光反射镜1上沿x轴方向的入射辐照强度与圆柱形接收器2上所接收的辐照强度应相对应，即入射到均匀聚光反射镜1曲线上点M左侧的入射辐照强度与入射到均匀聚光反射镜1曲线上总的入射辐照强度之比应等于圆柱形接收器2上N点以下的接收辐照强度与圆柱形接收器2总的接收辐照强度之比；将辐照强度之比转化成相应几何尺寸之比表示为：

(x-a₁)/(a₂-a₁)＝θ_N/θ   (1)

其中，θ_N是x_b与y_b的函数，其值的表达式分为两种：

当y_b≤0时，θ_N＝arctan|x_b/y_b|、，由此可得：