一种大口径旋转对称非成像自由曲面反射镜及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种大口径旋转对称非成像自由曲面反射镜及其设计方法，属于聚光光伏发电技领域。本发明专利技术通过想要获得的均匀反射在接受面上的光斑，该光斑完全适应接受面的形状，基于非成像反射镜原理，先设计获得一条二维曲线，然后采用数学建模的方式，对上述二维曲进行二次项拟合，可得到一个方程，该方程作为母线方程，将母线方程旋转对称获得一个自由曲面，此自由曲面即为非成像自由曲面反射镜的曲面面型。本发明专利技术既能得到均匀光斑又可以使大口径反射镜的加工工艺得到简化，以达到精度更高的面型，光辐照度均匀，提高光电转换效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于聚光光伏发电
，更具体地说，涉及一种大口径旋转对称非成像自由曲面反射镜及其设计方法。
技术介绍
可再生能源的利用已成为人类不断探索的新目标。太阳能是最常见的可再生能源，对太阳能的利用方式也多种多样，反射式聚光光伏发电系统便是其中一种。而起聚光作用的反射镜的制作工艺则是制约聚光光伏发电系统效率的重要因素之一。目前聚光反射镜最常见的设计是二次曲面点聚焦反射镜设计：抛物面和球面。这两种反射镜面型原理上都能通过适当的离焦获得一个均匀的光斑，其中抛物面反射镜有一定消球差作用，可以比球面反射镜获得的光斑要更为均匀，不过两者的光斑形状均为圆形，对于普遍使用的方形芯片，会在芯片的边角出现暗区，从而影响光电转换效率。聚光反射镜的第二种设计是自由曲面非成像反射镜，常见的曲面设计是通过给定空间进行网格划分，逐点进行光学追迹计算，得到一系列三维坐标点，点与点之间呈现不对称分布。参见对比专利：一种太阳能发电装置，专利号：201320298020.2，专利技术人：黄启禄，李鹏，林志东，该技术方案中公开的太阳能反射面是由4个连续平滑的太阳能反射面段组成，并在说明出中给出了描述该太阳能反射面的公式，此专利中的太阳能反射面的面型设计就是通过网格逐点划分进行计算。《自由曲面光学的超精密加工技术及其应用》(2010年2月第39卷第1期；红外与激光工程；李荣彬、张志辉、杜雪、孔令豹、蒋金波)，该论文自由曲面的光学设计方式采用边缘光线的扩展度守恒原理：即根据光源经过光学系统到达目标是个数学映射的关系，通过自由曲面边缘的那部分光线，经过映射后，对应于目标的边缘，自由曲面中间连续的部分，经过映射后，在目标中间形成连续的分布；如果光学系统没有损耗，那么光学系统的光源及目标的扩展度是守恒的，扩展度为光源或目标的面积与光线发散角所形成的立体角的乘积这一原理，也是采取将目标及自由曲面分割成等量的网格，目标的网格节点与自由曲面的网格节点形成一一对应，再根据目标节点的位置及法矢量，就可以精确地计算出自由曲面的控制网格的节点法矢量，从而生成所需要的自由曲面的方法。如上述情况，面型设计是通过划网格逐点进行计算的，无法通过一个解析式来表达，一系列不对称分布的三维坐标点分布的反射镜面型的加工是一个挑战，尤其是对于大口径反射镜，要想一次成型，是很难获得高精度的面型，也影响太阳能反射面光斑的均匀性。
技术实现思路
1.专利技术要解决的技术问题本专利技术的一种大口径旋转对称非成像自由曲面反射镜及其设计方法，基于非成像反射镜原理，结合均匀光斑设计获得一条曲线，然后旋转对称获得一个光滑的自由曲面，既能得到均匀光斑又可以使大口径反射镜的加工工艺得到简化，以达到精度更高的面型。2.技术方案本专利技术的一种大口径旋转对称非成像自由曲面反射镜的其设计方法，通过想要获得的均匀反射在接受面上的光斑，该光斑完全适应接受面的形状，基于非成像反射镜原理，先设计获得一条二维曲线，然后将该二维曲线旋转对称获得一个自由曲面，此自由曲面即为非成像自由曲面反射镜的曲面面型。作为本专利技术的进一步改进，所述的接受面为聚光光伏发电组件光电转换芯片的接受面。作为本专利技术的进一步改进，所述将二维曲线旋转对称的方法如下：采用数学建模的方式获得二维曲线的方程作为母线方程，将母线方程输入到三维建模软件中，以母线的中心轴做为旋转的中心轴，进行旋转对称获得自由曲面。作为本专利技术的进一步改进，其具体步骤为：1、设计曲线光线等比投影设一束平行光入射到反射镜面上，经反射面反射后，出射光按投影径向长度等比例的分配接收面上，如附图1所示。入射光线照射到反射镜的Cn-1和Cn点上，x方向的坐标分别为xn-1和xn，经反射后，分别落在接收面的Rn-1和Rn点处，x’方向的坐标分别为x’n-1和x’n，已知反射镜尺寸为L，光斑尺寸为D，根据等比分配有：LD=Cn-1Rn-1=CnRn]]>矢量关系式对于一个反射系统，要想求得反射面上的点，首先要建立自A点射向面元上M点的入射光I、反射面元上的M点的法线方向nf和经M点反射后到达接收面上F点的反射光R三者之间的关系，如图2所示。一束入射光从A(xi，yi，zi)点射向反射面上的M(xm，ym，zm)点，其单位矢量为ni，经M点反射后到达接收面的F点(xf，yf，zf)，则入射光线I与R可以表示为：I与R的单位矢量为：根据矢量的运算法则，有：数值求解设反射单元单位法向量和单位反射光为根据矢量的数量积公式与矢量积公式，有由公式(1)和(2)联立可解得：(Rx,Ry,Rz)T=-2nx2+1-2nxny-2nxnz-2nynx-2ny2+1-2nynz-2nznx-2nzny-2nz2+1·(Ix,Iy,Iz)T---(3)]]>因此，对于给定的平面反射单元(即给定的nf)，设入射光为一束平行光，单位矢量为(1，0，0)，通过光线等比投影又可知反射光矢量，就可由式(3)求出R。根据方程计算结果，得到一条二维曲线，此曲线即作为旋转对称的母线。2、获得自由曲面采用数学建模的方式，通过Matlab对上述二维曲进行二次项拟合，可得到一个方程，此方程即为母线方程。把母线方程输入到三维建模软件ProE，以母线的中心轴做为旋转的中心轴，进行旋转对称获得自由曲面。本专利技术的一种大口径旋转对称非成像自由曲面反射镜，是采用上述任意一种设计方法设计获得的。3.有益效果采用本专利技术提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：(1)本专利技术的一种大口径旋转对称非成像自由曲面反射镜的设计方法，基于非成像反射镜原理，结合能够铺满接收面的均匀光斑设计获得一条曲线，然后以该曲线作为母线进行旋转对称获得自由曲面，即得反射镜面型，通过一个解析式就能表达，大大简化了大口径的非成像反射镜面型的加工过程，一次成型也能获得面型精度较高的反射镜，且反射镜光辐照度相当均匀，均匀性可达到80.9％，接收面的光学效率可以达到98.7％。(2)本专利技术的一种大口径旋转对称非成像自由曲面反射镜，非成像自由曲面能够以大角度静态接收太阳光能，省去了成本较高、不易维护的太阳能追踪器，且获得的光斑能够完全适应接收芯片的形状，边角不会出现暗区，光照十分均匀，提高了太阳能的光电转换效率，加工工艺得到简化，以达到精度更高的面型。附图说明图1为实施例1中设计曲线过程中的光线等比投影的示意图；图2为实施例1中设计曲线过程中求解矢量关系式的示意图；图3为实施例1中二次项拟合曲线方程的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大口径旋转对称非成像自由曲面反射镜的设计方法，其特征在于：通过想要获得的均匀反射在接受面上的光斑，该光斑完全适应接受面的形状，基于非成像反射镜原理，先设计获得一条二维曲线，然后将该二维曲线旋转对称获得一个自由曲面，此自由曲面即为非成像自由曲面反射镜的曲面面型。

【技术特征摘要】
1.一种大口径旋转对称非成像自由曲面反射镜的设计方法，其特征在于：通过想要获得
的均匀反射在接受面上的光斑，该光斑完全适应接受面的形状，基于非成像反射镜原理，先
设计获得一条二维曲线，然后将该二维曲线旋转对称获得一个自由曲面，此自由曲面即为非
成像自由曲面反射镜的曲面面型。
2.根据权利要求1所述的一种大口径旋转对称非成像自由曲面反射镜的设计方法，所述
的接受面为聚光光伏发电组件光电转换芯片的接受面。
3.根据权利要求2所述的一种大口径旋转对称非成像自由曲面反射镜的设计方法，所述
将二维曲线旋转对称的方法如下：采用数学建模的方式获得二维曲线的方程作为母线方程，
将母线方程输入到三维建模软件中，以母线的中心轴做为旋转的中心轴，进行旋转对称获得
自由曲面。
4.根据权利要求3所述的一种大口径旋转对称非成像自由曲面反射镜的设计方法，其特
征在于：其具体步骤为：
步骤一、设计曲线
光线等比投影
设一束平行光入射到反射镜面上，经反射面反射后，出射光按投影径向长度等比例的分
配接收面上，如附图1所示。入射光线照射到反射镜的Cn-1和Cn点上，x方向的坐标分别
为xn-1和xn，经反射后，分别落在接收面的Rn-1和Rn点处，x’方向的坐标分别为x’n-1和
x’n，已知反射镜尺寸为L，光斑尺寸为D，根据等比分配有：
LD=Cn-1Rn-1=CnRn]]>矢量关系式
对于一个反射系统，要想求得反射面上的点，首先要建立自A点...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄启禄，
申请(专利权)人：日芯光伏科技有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34