[发明专利]由菲涅耳反射镜过渡连接的双级复合抛物镜聚光器

说明书

本发明属太阳能聚光技术领域。

太阳能技术的普及将主要取决于它的经济性，鉴于太阳能高品位、低密度的特征，导致影响太阳能技术经济性的主要问题是提高聚焦比与高昂跟踪代价之间的矛盾。

为了解决提高聚焦比与高昂跟踪代价的矛盾，美国的Hinterberger与Winston(1996)发明了复合抛物镜聚光器(Compound ParabolicConcentrators：CPC)。它由两块相对竖起来的抛物反射镜11、12组成，其对称截面如附图1所示，它使开口端(上端口)的射线，汇集至吸收端(下端口)表面，左边和右边的镜子属于相对倾斜的抛物线，左、右抛物镜轴线13、14与聚光器对称轴线15构成+θa(-θa)接收半角，各自焦点分别为A、B。追踪几种射线显示这套装置具有下列倾角吸收特性：所有入射角｜θ｜＜θa的进入开口端的射线，将经一次反射抵达吸收端，如图2所示：而所有倾角｜θ｜＞θa的射线将在两块反射镜之间来回反射多次并最终逃离开口端，如附图3所示。

复合抛物镜高度H与其开口宽度A之比H／A在不同接收半角θa时随聚焦比C的变化如附图4所示。图中可见，当复合抛物镜聚焦比C为14时，接收半角θa仅为4°，这就需要不断调整CPC的倾角，即跟踪光线倾角的变化；而取36°较大接收半角θa时，其聚焦比仅为1．5；因此这种复合抛物镜技术无法根本解决提高聚焦与减免跟踪的矛盾，性能价格比低，因此在工业上难于广泛使用。

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提供一种由菲涅耳反射镜过渡连接的双级复合抛物镜聚光器(Double stages CPC：D-CPC)，解决单级复合抛物镜提高聚焦比和扩大接收角范围这两个主要功能相互制约的矛盾，提高效率，降低成本，从而实现在工业上的应用。

本发明设计的由菲涅耳反射镜过渡连接的双级复合抛物镜聚光器，包括二组与轴对称的接收半角为θa的上级复合抛物镜和接收半角为θb的下级复合抛物镜，由连接所说的上级复合抛物镜的吸收端与下级复合抛物镜的开口端的一组变幻角度的反射面组成的过渡级菲涅耳反射镜，该菲涅耳反射镜和上级复合抛物镜吸收端连接处有一和聚光器轴成θa／2倾角的转向镜，所说的上级复合抛物镜的吸收端宽度与下级复合抛物镜的开口端宽度及菲涅耳反射镜上、下端的宽度相等。过渡级长和宽之比为下级复合抛物镜接收半角的余切ctgθb。上级复合抛物镜吸收端端点向下所做任一角度射线和过渡级相交，该交点处菲涅耳反射镜反射面和聚光器轴线的夹角φ的两倍与所做射线和该吸收端平面的夹角ω及下级复合抛物镜接收半角θb之和等于90°。所说的双级复合抛物镜由所说的抛物线和菲涅耳反射线段构成二维聚焦的双级槽形复合抛物镜太阳能聚光器。所说的双级复合抛物镜由所说的抛物线和菲涅耳反射线段也构成三维聚焦的双级旋转体复合抛物镜太阳能聚光器。

本发明的原理结合图5～7说明如下：本发明为菲涅耳反射镜过渡连接的双级复合抛物镜，由上级复合抛物镜51、下级复合抛物镜53和连接两者的菲涅耳反射镜过渡级52组成，如图5所示。其中上级复合抛物镜的功能是尽量扩大接收角范围，这样即可增加对相当部分太阳散射光的接收，还可容许直射光的入射角变化，从而减少倾角调节次数；下级复合抛物镜的功能是尽量增加聚焦比，以提高所集能量的品位。两级复合抛物镜之间的过渡级设置两块平行相对的菲涅耳反射镜52，把从上级复合抛物镜开口端54入射、经上级复合抛物镜51反射汇集和经转向镜58转向发散开的光线，重新反射成小于下级复合抛物镜接收半角θb的平行光线。本发明可避免单级复合抛物镜扩大接收角和增加聚焦比之间的矛盾。

上级复合抛物镜接收半角θa可取9°至36°，下级复合抛物镜的接收半角θb可取9°至36°，下级复合抛物镜开口端56宽度和上级复合抛物镜吸收端55宽度相等。双级复合抛物镜的聚焦比为上、下两级复合抛物镜聚焦比之积。

过渡级转向镜58的设计目的是使向右(左)下汇集的光束转为向左(右)下发散的光束，发散光束中任一光线和上级复合抛物镜吸收端平面的夹角ω界于θa至90°之间。图6为太阳光投射角等于θa的临界情况。过渡级长度和宽度之比为下级复合抛物镜接收半角θb的余切ctgθb。上级复合抛物镜吸收端端点向左(右)下发散的光束中，每间隔一个角度(例如10°)作出其相应射线并和过渡级左(右)边直线相交，在每一交点处做一块菲涅耳反射面52，其平面与聚光器轴线的夹角φ满足下列关系：

2φ+ω+θb=90°其中θb为下级复合抛物镜的接收半角。经过这样设计的菲涅耳反射镜便可把向左(右)下发散光束转为向右(左)下的平行光束，且投射角恰好等于下级复合抛物镜的接收半角θb。