组合非球面太阳能聚光镜的光学设计

摘要：提出了一种组合非球面反射型太阳能聚光镜并给出了设计方法。聚光镜由38片非球面组成，每一片非球面都由一组特定系数C，a1，a4，a6，a8，a10的偶次非球面方程决定，是此特定非球面的一部分。根据非球面方程和光反射定律矢量形式，导出了非球面内壁上太阳反射光束的方向矢量与非球面系数C，a1，a4，a6，a8，a10的关系，适当地选择这些非球面系数，即适当地调整非球面面型，可以使太阳反射光束具有特定的方向矢量，使入射到非球面内壁上的太阳光束反射后全部聚焦在某一特定的区域内，形成小的光斑。每组特定系数都用粒子群优化算法求得，并经计算机模拟和实验证明其聚焦效果。聚光镜的光束压缩比为猿猿园颐员，其聚焦光斑可作为一种高温热源，而此聚光镜可以用在太阳能加热装置中。

1.引言

近几十年来，人们使用能源的方式发生了显著的变化。来自政府、企业和科研机构寻找可替代能源和改善能源使用效率的投入日益增多，来自社会各方面减少二氧化碳排放量的呼声日益增大，这激发了对现有能源利用系统改造和优化技术的发展，也大大激发了新能源的开发和利用。太阳能是地球上最为丰富的可利用碳中性能源，它1小时提供给地球的能量比整个地球全年消耗的能量还要多，正成为最有前途的可开发资源。利用太阳能发电、取暖或制冷技术一直在研究之中。太阳能工业应用方面的研究大致可分为两个方面，一是利用光电收集器或者太阳能发电站把太阳能转变为电能，二是利用各种太阳能聚光装置将太阳光聚焦以便高温利用或者聚焦在光伏器件上以便提高光电转换效率。两方面的研究都涉及到太阳能聚光镜，顾名思义，太阳能聚光镜就是把大面积的太阳辐照光收集或者聚焦到一小的接收器或输出装置上的工具遥根据聚光方式，聚光镜大致可以分为四类：反射式聚光、折射式聚光、折反混合式聚光和场致发光式聚光。根据聚光镜的形状有抛物面聚光镜、双曲面聚光镜、菲涅尔聚光镜、复合抛物面聚光镜、高次柱面聚光镜、量子点太阳能聚光器。在一些大型太阳能利用装置中，多采用反射式聚光。在反射式聚光集热装置中，旋转抛物面反射镜的光能接收器正好位于入射光束的中心，遮挡了部分入射太阳光束，直接影响了聚焦效果，降低了聚焦区域的温度。为了不遮挡光路，大部分太阳能聚光装置采用了偏轴聚焦。为了实现偏轴聚焦，科研工作者设计出了各种不同形式的聚光镜。为了实现偏轴聚焦，本文提出了一种组合非球面太阳能聚光镜，这种非球面由偶次非球面方程确定，克服了将抛物面分割成若干段的不确定性，也克服了偏轴聚焦的焦点位置和焦斑形状的难于控制问题。

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