[发明专利]一种光能全反射聚光器

说明书

技术领域

本发明属于太阳能和光学聚光领域，特别涉及一种光能全反射聚光器。

背景技术

随着全球日益加剧的能源需求，对太阳能等新兴能源的研究和利用日渐成为研究和开发的热点。因此，本发明的发明(设计)人的“基于仿生学原理的多曲面复合太阳能聚光器”(专利申请号：200710062696.0)的聚光器由2个或多个复合抛物面聚光器必须经过偏光器或者改型菲涅尔导光透镜过渡组成，采用的是镜面反射，反射率总是小于100％，而且随着使用时间的增加，反射率不断下降，光束在该聚光器中必须经过3次或者多次反射，反射次数较多增加了光束在反射过程中的损耗；另外，各级复合抛物面聚光器的两条组合抛物线经过旋转、平移或者截断而来，抛物线的焦点刚好落在抛物面的剖面线上，且各复合抛物面聚光器及偏光器的对称轴不一定在同一直线上，因此光束在该聚光器中始终无法汇聚于一焦点，光束较为散乱，不利于后续器件(比如光纤等)的接收和传输。

镜像焦点重叠式可变向平行光能流密度倍增器及设计方法(专利申请号：200710063059.5)的抛物面聚光器的两条组合抛物线经平移而来，光束经过组合抛物面聚光器和圆柱镜反射面后形成的镜像焦点与抛物面导光器的焦点重合后，光束经过抛物面导光器形成高能流密度的平行光束，对镜像焦点和抛物面导光器的同心度要求很高；同时，该发明采用的也是镜面反射，反射率总是小于100％，而且随着使用时间的增加，反射率不断下降。

全反射式复合多曲面聚光太阳能导光装置(专利申请号：201220259269.8)中，进入全反射式多曲面聚光器后的平行光束在经过其上部锥形面和下部为圆柱面的2次反射，在其下部的圆柱面中形成焦点后，分散的光束经过凸透镜汇聚镜形成扩散角较小的光束，但这个光束仍然是向外扩散的光束，还必须通过连接套内表面的镜面反射才能变成向内汇聚的光束，进而能让光纤端面所接收。因此，这种设计还是无法完全摆脱利用镜面反射所带来的反射衰减的弊端。

发明内容

本发明提供了一种光能全反射聚光器，该聚光器能够将其接收的太阳光经过2次全反射后，将光束聚集于该聚光器的下方，依据光学中的全反射原理，光束全反射时是100％的反射，没有了镜面反射中的反射损耗，而且整体成型，不会出现上述几种发明中由于多个部件组装误差带来的光能损耗。本发明具有结构简单、能量传输效率高的特点，适宜在传光或导光领域广泛推广。

本发明所采用的技术方案是：

一种光能全反射聚光器根据全反射原理进行聚光和传光，该一种光能全反射聚光器由一整块透光材料制成，包括抛物面聚光体、圆柱反射体和圆弧折光面，三者沿同一对称轴依次设置；所述的抛物面聚光体与圆柱反射体首尾连接，所述的圆弧折光面由圆柱反射体底部的内侧挖去一块半球体而成；平行于对称轴的平行光束从抛物面聚光体顶部入射；

所述的圆弧折光面的圆心位于平行光束经过抛物面聚光体和圆柱反射体的反射后形成的焦点F的上方，圆弧折光面的最高位置位于所有入射平行光束经过抛物面聚光体第一次反射后的传播路径下方；

所述的平行光束射入抛物面聚光体的入口后，到达其侧表面时的入射角θ满足以下关系：

平行光束经过抛物面聚光体的侧表面反射后射入圆柱反射体的侧面时，入射角δ满足以下关系：

其中，n为一种光能全反射聚光器材料的折射率。

在此基础上，本发明的一种光能全反射聚光器在平行光束照射条件下，满足全反射条件的光线a和光线b之间的光束首先在抛物面聚光体侧面形成第一次全反射，此时若无圆柱反射体，第一次全反射后的平行光束全部聚集于焦点F′；经过抛物面聚光体反射的光束与圆柱反射体形成的夹角δ满足全反射条件，光束在圆柱反射体侧面形成第二次全反射，此时若无圆弧折光面，则经过抛物面聚光体和圆柱反射体两次全反射的光束会聚在焦点F；但因为圆弧折光面的存在，经过抛物面聚光体和圆柱反射体两次全反射的光束在未到达焦点F之前先经过圆弧折光面的折射，由于圆弧对光的发散作用，对经过圆弧折光面的光束造成一定程度的发散，即光线与聚光器对称轴之间的夹角减小了，更有利于光束向后续接收器件(比如光纤)的传输。