一种分段式等光强反射聚光镜及其设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于透镜技术领域，特别涉及一种分段式等光强反射聚光镜及其设计方 法。
【背景技术】
[0002] 太阳能作为地球上所有能源的总源头，不仅绿色环保，而且储量巨大，可持续利 用，是当今研究的前沿以及热点。但由于加工工艺以及现有的产品设计存在种种弊端，导致 太阳能的利用率较低且成本消耗严重，因此，如何能以低成本实现太阳能的高效率利用，也 成为了科学家研究的方向。
[0003] 关于太阳能聚光发电的国际性会议首次在2002年5月召开，会议表明光伏聚光系 统是一项很有潜力的技术，光伏技术即通过反射镜或透镜使太阳光辐照度加强后投射到面 积小但性能优的光伏板上，提高太阳能光照的利用率并降低成本，进一步实现节能减排。
[0004] 研究学家对反射镜的聚光特性进行模拟研究的结果表示，微小的反射镜面形变化 也会明显降低聚光效果，但现今许多研究中都忽视反射镜面形所带来的聚光效果影响，近 似地认为反射镜是直接将太阳光线反射聚集到光伏板平面上。因此，现有技术中的反射聚 光镜存在局部受热不均匀的缺陷，容易导致光伏板因局部温度过高而损坏，聚光集热效果 不甚理想。此外，现有技术中的反射聚光镜的设计方法复杂，且不能实现灵活的调整。
[0005] 有鉴于此，本发明旨在提供一种分段式等光强反射聚光镜及其设计方法，其抓住 反射镜面形变化能改变聚光效果的特点，采用分段式设计的思想，对每块不同高度以及倾 斜角度的反射镜通过精密计算制成，从而进一步增强聚光系统的聚光效果，提高太阳能的 转化效率。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的之一在于:针对现有技术的不足，而提供一种分段式等光强反射聚 光镜，其抓住反射镜面形变化能改变聚光效果的特点，采用分段式设计的思想，对每块不同 高度以及倾斜角度的反射镜通过精密计算制成，从而进一步增强聚光系统的聚光效果，提 高太阳能的转化效率。
[0007] 为了实现上述目的，本发明所采用如下技术方案：
[0008] -种分段式等光强反射聚光镜，包括若干段依次连接的平面聚光镜单元，以水平 面为基准，位于正中间的所述平面聚光镜单元与水平面平行，位于正中间的所述平面聚光 镜单元设置为基准单元，并且设置于所述基准单元的右端的所述平面聚光镜单元的倾斜度 均不相同；设置于所述基准单元的左端的所述平面聚光镜单元的倾斜度均不相同。
[0009] 作为本发明分段式等光强反射聚光镜的一种改进，所述反射聚光镜以所述基准单 元的纵向中心线所在直线为对称轴对称设置。
[0010] 作为本发明分段式等光强反射聚光镜的一种改进，设置于所述基准单元的右侧的 每段所述平面聚光镜单元的长度均不同；设置于所述基准单元的左侧的每段所述平面聚光 镜单元的长度均不同。
[0011] 作为本发明分段式等光强反射聚光镜的一种改进，设置于所述基准单元的右端的 所述平面聚光镜单元的倾斜度向右逐渐增加;设置于所述基准单元的左端的所述平面聚光 镜单元的倾斜度向左逐渐增加。
[0012] 作为本发明分段式等光强反射聚光镜的一种改进，位于最右端的所述平面聚光镜 单元与水平面之间的夹角小于90°。
[0013] 作为本发明分段式等光强反射聚光镜的一种改进，所述位于正中间的平面聚光镜 单元设置为非反光镜。
[0014] 作为本发明分段式等光强反射聚光镜的一种改进，从所述基准单元往右计，第i段 平面聚光镜单元的左端点为(Xll，yu)，其中i大于或等于1，则该段平面聚光镜单元的右端 点(x\l，/ il)为：
[0016] 其中，d为光伏板的长度的l/2，ki为该段平面聚光镜单元的左端点与光伏板的左 端点的连线的斜率，k'η为该段平面聚光镜单元的斜率；
[0017] V η的计算公式为：
[0019] 其中，Θ为该段平面聚光镜单元与水平面的倾斜角度，d为光伏板的长度的1/2，αι 为该段平面聚光镜单元的左端点与光伏板的左端点的连线和法线的夹角，h为光伏板的垂 直高度。
[0020] 相对于现有技术，本发明设计为分段式反光镜的均匀反射聚光，在确定了光伏板 的宽度和垂直高度后，能够自适应地设计出当前条件下对光能利用率最大的反射聚光镜的 摆放位置，相对于传统的设计，本发明在保证聚光能力和聚光均匀的前提下，能有效降低装 置的高度，并且使光线均匀分布在光伏板上，从而具有很好地抗风效果，也降低了因光伏板 局部温度过高而被损坏的风险。
[0021] 本发明的另一个目的在于提供一种分段式等光强反射聚光镜的设计方法，包括以 下步骤：
[0022] S1，设光伏板的长度为2d，光伏板在地面上的投影处的长度也为2d，并且投影处设 置长度为2d的基准单元，或者称为第0段平面聚光镜单元；
[0023] S2,定义太阳光垂直照射时的光线向量为F =丨0.1广，且其模为1;对于第0段平面 聚光镜单元，其右端点坐标为(d，0)，假设反射聚光镜的加工工艺的最小精度为dmin，则设定 每段平面聚光镜单元的初始长度为1，制造每段平面聚光镜单元的长度必须大于dmin，即1> dmin ；
[0024] S3，对于第i (i 2 1)段平面聚光镜单元，任一段平面聚光镜单元的左端点为(Xll， yu)，根据该点与光伏板的左端点的连线和法线的夹角cu、光伏板的垂直高度h，确定该段平 面聚光镜单元的斜率V n，它们满足以下方程：
[0026]其中，Θ为该段平面聚光镜单元与水平面的倾斜角度；
[0027] S4,根据光伏板的长度2d、任一段平面聚光镜单元的左端点与光伏板的左端点的 连线的斜率匕和该段平面聚光镜单元的斜率V u，确定该段平面聚光镜单元的右端点(Y u， y7 η)：
[0029] S5,以完成设计的平面聚光镜单元的右端点（Yu j'u)作为下一段相连接的平面 聚光镜单元的左端点，令χ?+ι,ιζχ' ii.yi+i.izy' η;
[0030] S6，重复第S3~S5，依次计算反射聚光镜的每一段平面聚光镜单元，直至当其与水 平面的倾斜角度Θ接近
，或长度小于加工工艺所能达到的最小精度时，则停止右半部分反 光镜的制造，然后将右半边的设计以第〇段平面聚光镜单元的纵向中心线为对称轴对称得 到左半边部分反光镜的设计，此时完成了整个反射聚光镜的设计。
[0031] 相对于现有技术，本发明提供的设计方法不同于传统的设计方法，只需要给出光 伏板的宽度与光伏板的垂直高度，即可获得符合需求的反射聚光镜，设计方法简单，调整灵 活且设计成本低。而且，本发明设计的反射聚光镜中，位于基准单元的同一侧的每一段平面 聚光镜单元的长度均不同，从而确保了在不同的高度下，每一段平面聚光镜单元都能把当 前位置的光线全部均匀地反射到光伏板上。此外，本发明设计的反射聚光镜为分段式平面 镜，反射的光线具有等光强、均匀分布的特点，因此，相对于传统的设计方法来说，本发明的 聚光集热效果较好，并且克服了光伏板局部受热不均匀的弊端。
[0032]总之，本发明抓住反射镜面形变化能改变聚光效果的特点，采用分段式设计的思 想，对每段不同高度以及倾斜角度的平面聚光镜单元通过精密计算制成，从而进一步增强 聚光系统的聚光效果，提高太阳能的转化效率。
【附图说明】
[0033]图1为本发明的结构示意图。
[0034] 图2为本发明的设计步骤符号细节图。
[0035] 图3为本发明的聚光光路聚焦效果图。
[0036] 图4为本发明聚光光线整体仿真聚焦效果图。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合实施例对本发明及其有益效果作进一步详细的描述，但本发明的实施方 式并不限于此。
[0038] 如图1所示，本发明提供的一种分段式等光强反射聚光镜，包括若干段依次连接的 平面聚光镜单元1，以水平面为基准，位于正中间的平面聚光镜单元与水平面平行，位于正 中间的平面聚光镜单元设置为基准单元2，并且设置于基准单元2的右端的平面聚光镜单元 1的倾斜度均不相同；设置于基准单元2的左端的平面聚光镜单元1的倾斜度均不相同。也就 是说，本发明是由若干段平面聚光镜单元1依次连接而成，并且相邻的两段平面聚光镜单元 1之间的倾斜程度不同，以使得该反射聚光镜反射的光线具有等光强、均匀分布的特点。
[0039] 反射聚光镜以基准单元2的纵向中心线所在直线为对称轴对称设置，即整个反射 聚光镜是对称结构，这样不仅便于设计，而且便于实现等光强。
[0040] 设置于基准单元2的右侧的每段平面聚光镜单元1的长度均不同；设置于基准单元 2的左侧的每段平面聚光镜单元1的长度均不同，从而确保在不同的高度下，每一段平面聚 光镜单元1都能把当前位置的光线全部均匀地反射到光伏板上。
[0041] 设置于基准单元2的右端的平面聚光镜单元1的倾斜度向右逐渐增加;设置于基准 单元2的左端的平面聚光镜单元1的倾斜度向左逐渐增加。设置于基准单元2的左侧和右侧 的平面聚光镜单元1的段数均为2-10段。
[0042] 位于最右端的平面聚光镜单元1与水平面之间的夹角小于90°，从而整个反射聚光 镜呈开放式结构，即平面聚光镜单元1从基准单元2分别向左右两端逐渐向上延伸、伸展。 [0043]位于正中间的平面聚光镜单元设置为非反光镜，这是因为光