一种光能全反射聚光器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于太阳能和光学聚光领域，特别设及一种光能全反射聚光器。
【背景技术】
[0002] 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，本实用新型的发明（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。
[0003] 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屯、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。
[0004] 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， 但运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，运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。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型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。本实用新型具有结构简单、能量传输效率高的特点， 适宜在传光或导光领域广泛推广。
[0006] 本实用新型所采用的技术方案是：
[0007] -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，=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；
[0008] 所述的圆弧折光面的圆屯、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；
[0009] 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0满足 W下关系：
[0010] 5;!1白>丄 巧
[0011] 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5 細足W下关系：
[0012] 組X:沒含一 幻
[0013] 其中，n为一种光能全反射聚光器材料的折射率。
[0014] 在此基础上，本实用新型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5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。
[0015] 为了不干扰入射平行光束顺利到达圆柱反射体侧面，圆弧折光面不能阻挡所有入 射平行光束经过抛物面聚光体第一次反射后的传播路径；在所有入射平行光束经过抛物面 聚光体反射后的第一次反射后的传播路径中，最内部入射光线第一次反射后的传播路径位 置最低，即抛物面聚光体最低端B点上反射到圆柱反射体右侧面的光线（对应于入射光束 中的光线b)。因此，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，即圆弧折光面的最高位置只能在经抛物面聚光体反射的平行光 束中最内部入射光线第一次反射后的传播路径（对应图7中线段B巧的下方，圆弧折光面 最高位置最多只能与上述光线传播路径相切，而不能相交。同时，为了保证圆弧折光面对前 方来的光线的折射，是使折射后的光线与聚光器对称轴夹角减小，则圆弧折光面的圆屯、必 须设置在焦点F的上方。
[0016] 在此基础上，入射到本实用新型的一种光能全反射聚光器的全部平行光束中，大 部分（即光线a和光线b之间的那部分光线）经过抛物面聚光体和圆柱反射体全反射，另 一部分（即光线b到对称轴之间的那部分光线），也就是在圆柱反射体直径范围内的平行入 射光束则直接射入圆弧折光面，运一部分光束在经过圆弧折光面时，大部分的平行光束在 圆弧折光面下方形成分散的光束，其中的一部分也能够被接收器接收；另一小部分光线由 于入射角满足全反射条件，光从圆弧折光面全反射而不进入圆弧折光面下方，但运部分光 线较为稀少。
[0017] 同时，该一种光能全反射聚光器由一整块透光材料制成，该一种光能全反射聚光 器为一个整体，便于整体成型，光线在本实用新型的一种光能全反射聚光器中的传输均为 在同一介质中传输，利用光在透明实体内传播，在实体表面发生全反射的原理进行聚光。
[0018] 因此，本实用新型的一种光能全反射聚光器能够将在抛物面聚光体范围内的平行 入射光束经过2次全反射，将几乎全部平行光束聚集于该聚光器的下方，实现了对平行光 束进行汇聚并传输的效果。同时，下述的设计可确保每一个反射点满足全反射要求，没有反 射损耗。
[0019] 进一步地，圆弧折光面的弧度为0~n，圆屯、的位置根据圆弧折光面弧度的不同 而改变，调整圆弧折光面弧度，其圆屯、的位置也相应改变。
[0020] 进一步地，圆弧折光面的宽度d满足d > 0且d < 1，其中1为圆柱反射体的直径。
[0021] 进一步地，一种光能全反射聚光器所用材料折射率n大于圆弧折光面下方介质的 折射率n'，即一种光能全反射聚光器所用材料折射率n大于周围空气介质的折射率n'。
[0022] 进一步地，所述的抛物面聚光体的形状根据W下关系获得：
[0023] 气二 k
[0024] 其中，P为抛物面聚光体轴截面形成的抛物线的焦参数，1为圆柱反射体的直径，k 为参数；
[00巧]参数k的取值满足W下关系：
[0026]
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[0027] 其中，n为所述透光材料的折射率。
[002引设抛物面聚光体轴截面形成的抛物线方程为。2二2py或y = ,抛物 线方程必须同时满足平行光束与抛物线之间形成的入射角0满足全反射的条件，即
'巧 ，其中P为抛物线的焦参数，