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    [原创]CPC学习笔记-初稿 [复制链接]

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    离线shogun
     
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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2007-04-17
    花了好几天时间,把CPC的大部分知识弄懂了。花了两个半天时间把这些知识整理出来,希望对大家有帮助。有些概念还不是很清晰,文中难免有错漏,请大家多多指教。 lRX*\ M\`  
    $yHlkd`Y  
    转载请注明作者:shogun@www.opticsky.cn,E-mail:charmingglass008@163.com D 0\  
    k g0Z(T:&8  
    同时,搭贴求两本书的电子版:《Nonimaging Optics》、《High Collection Nonimaging Optics》 0=yKE J  
    以下是正文: kce+aiv|u  
    \P+lb-~\"  
    )!e-5O49r  
    CPC学习笔记 DpoRR`  
    N:Q}Lil  
    %v4/.4sR,;  
    shogun@www.opticsky.cn,E-mail:charmingglass008@163.com hA/K>Z  
    sq\oatMw[  
    =0MW+-  
    §1.1什么是CPC(Compound Parabolic Concetrator) C$-IDBXK  
    CPC全名为复合抛物面聚光器。CPC及其多种变型广泛应用于太阳能系统中。CPC将光能量采集到焦平面,焦平面的吸收体吸收光能并转化为可储存的热能、电能等。 *GTCVxu  
    TCv}N0  
    §1.2抛物线方程(Parabolic Function)  5!NK  
    %koHTWT+  
    iK s/8n  
    如图1.1,抛物线的极坐标方程为: 9^c\$"2B  
    ρ=2f/(1+cosθ                                  (1.1) +}J2\!Jw  
    则抛物面的半口径R为: N?ky2wG  
    R=ρsinθ                                          (1.2) G<Z|NT  
    对于一束平行光,经理想抛物面反射后总能汇集到焦点。若将光源置于焦点位置,根据光路可逆性,从抛物面出来的是比较完美的平行光。抛物面的这个特性使它被广泛应用在各种照明系统中。 xmT(yv,  
    w*f.Fu(su  
    仔细分析,我们可以发现: :(!il?  
    AC+CF=BD+DF                              (1.3) 2~K.m@U}!Z  
    A、B为平行光束与平行光束垂直面m的交点。 *U)!9DvA  
    事实上,抛物线即是从平行光出发点到焦点光程相等点的轨迹的集合。后文的string method将用到这一概念。 ~NMal]Fwx  
    在图1.1中,假设f=8mm,θ=135°,则R=ρsinθ=38.6mm。 LTm2B_+  
    §1.3边缘光线原理(Edge-Ray Principle) `/Zi=.rr  
        对聚光器经常采用边缘光线法进行分析。边缘光线即是以最大入射角入射于聚光器边缘,并被反射器反射一次后出射在接收器(吸收面)边缘的光线。 A|O7W|"W  
    §1.3.1聚光比(Concentration Ratio) #y~^!fdp9  
    对于一个聚光器,我们定义聚光比为: @c9VCG D  
    C=Aentry/Aexit                                    (1.4) (B}+uI{  
    Aentry为入射光束的截面积,Aexit 为出射光束的截面积;C越大,聚光效果越好。读者可以自行计算图1.2中聚光器的C值。(见式1.5) (sq4  
    §1.3.2接收角(Acceptance Angle) N;9@-Tb  
    如图1.2,接收角定义为边缘光线被反射器反射一次后出射在接收器边缘时(仍在出射面内)入射光线与垂直方向的夹角θmax。 d@8=%x:  
    ?R&,1~h  
    "nf.kj:>  
    §1.3.3拉线法(String Method)分析抛物线轨迹 %S]H  
    如图1.2,将一根圆杆(rod)与水平面成θmax角放置于聚光器入射端。圆杆上有一个圆环,圆环上系有细线(string),细线的一端系于焦点d。将细线拉直,并保证垂直于圆杆,圆环从A走到C,细线另一头a走过的轨迹即为抛物线。显而易见,Aa+ad=Bb+bd=Cc+cd。 @K7#}7,t  
    +3(1QgYM%  
    H B_si  
    图1.2是拉线法的最简单示意。在Solar Energy System中,不同的吸收面(如Cylindrical Absorber)都可以用string method来显示反射面的轨迹。这种轨迹可能是渐开线与抛物线的结合。 `Jq ?+W  
    ,)@Q,EHN;  
    +FP*RNM  
    §1.4抛物面的倾斜(Tilt of Parabolic) :[ F`tDL  
    首先,CPC并非是通常的聚光器。从截面来看,两个反射面的焦点并不一定是同一点。也就是说,并非共焦系统,所以是非成像系统(Nonimaging System)。如图1.2,右面反射镜的焦点在d点。左面反射镜的焦点在c点。这就是“复合(compound)”的真正意思,是由两片反射镜组合在一起的。两片反射镜的光轴并不重合,但是它们有自己的对称轴Z。 loZJV M  
    不同形态的CPC可由抛物线经旋转(tilt)得到。如图1.3,虚线1、2是未经旋转的抛物线(Original Parabolic),两者的光轴本来是水平的。反射镜1的光轴Axis1绕自己的焦点f1旋转了20°,反射镜1也跟着旋转了20°,到1’的位置。抛物线2也经过的同样的旋转,只是方向相反。 jV;&*4if  
    np}F [v  
    L 5J=+k,  
    经过旋转,可以获得我们需要的接收角。大于接收角的光线将会被系统反射出去,无法到达吸收面(exit aperture)(见图1.9)。 Hc ]/0:  
    事实上,由式(1.5)可知,减少接收角也就增大了集光率C: ]!E|5=q  
    #(mm6dj  
    C=1/sinθmax                  (1.5) BQ2EDy=}6  
    :<Yc V#!P  
    下面我们对旋转前后的参数进行一些计算。 ++W_4 B!  
    :[3{-.c  
     {.GC7dx  
    5 P9hm[  
    如图1.4,简单地,可以得到: E5w. wx  
    ;;pxI5  
    R=2fl/(1-cosΦ                          (1.6) snT!3t  
    r=Rsin(Φ-θmax)-a’        (1.7) k6_RJ8I  
    z=Rcos(Φ-θmax)                      (1.8) ?%J{1+hY  
    fl=a’(1+sinθmax)                  (1.9) ZRf-V9  
    #/Y t4n  
    在tracepro中,根据需要,Axis tilt可任意选择,只要保证开口口径(entry aperture)不为0即可。对于规范的聚光器(textbook concentrator),Axis tilt即为接收角θmax。Lateral focal shift,顾名思义就是焦点(focal point)在Lateral方向(图1.5的Y方向)上的移动量(shift)。若Lateral focal shift=0,焦点未发生移动,仍在焦平面与中心轴的交点。对于规范的聚光器(textbook concentrator),Lateral focal shift即为a',即保证满足边缘光线原理。 AB'q!7NR  
    m64 6|G5  
    *y9 iuJ}  
    XO~xbG7>gZ  
    §1.5tracepro中CPC的建立与模拟 3@kiUbq7Eu  
    见图1.5,未经旋转的CPC即为conical parabolic。图1.5中front length可由图1.1中得到,front length= |ρcosθ|=R=38.6mm。此CPC的出光面(exit aperture)为焦平面,所以back length为0。 o>mZ$  
    ;aExEgTq  
    旋转后的CPC如图1.6: |kyxa2F{  
    9->E$W  
    对旋转前后的CPC进行模拟: M:z)uLDw  
    WHk/Rg%<  
      lG;RfDI-  
    % < D  
    *lRP ZN  
    若θ>θmax,光束将被系统反射出去。如图1.9: b*S :wfw  
    -h%;L5oJ2,  
    [ 此贴被shogun在2007-04-23 16:45重新编辑 ]
    1条评分
    cyqdesign 金钱 +20 原创内容 2007-04-17
     
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    只看该作者 1楼 发表于: 2007-04-17
    支持原创,很不错,学习一下。
    离线suezl9
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    只看该作者 2楼 发表于: 2007-04-18
    绝对要支持!!!!!!!!!!!!!
    离线leklee89
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    只看该作者 3楼 发表于: 2007-04-18
    shogun猛将兄 非常感谢.... 
    离线fantasye
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    只看该作者 4楼 发表于: 2007-04-18
    恩,不错,绝对好贴,楼主能把其他TRACEPRO和ZEMAX的学习笔记发给我嘛,就最基本的对我帮助很大,我刚开始接触这两个软件,很多设定都不知道,拜托大哥了,江湖救急.
    离线shogun
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    只看该作者 5楼 发表于: 2007-04-18
    哪有这么容易的? ep`WYR|B  
    其实设置说到底还是简单的, aC:Sy^Tf  
    设计要知道原理, 2>BWu  
    原理才是最难的。 1H sfCky{  
    ~?i;~S  
    我也才刚刚学呵呵。
    离线fantasye
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    只看该作者 6楼 发表于: 2007-04-18
    大哥在啊,能跟小弟交流一下么,我油箱是fantasye@126.com,QQ:  126083895  y)iT-$bQ  
    我是光学专业的,理论知识还可以就是不知道怎么应用,现在还没毕业正在在实习,希望大哥能指点一下.要不然等我毕业的时候,也就是失业的时候了,拜托!
    离线leklee89
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    只看该作者 7楼 发表于: 2007-04-19
    尚有几处不够明白,请教先: ]D(!ua5|x`  
      1. 在所示的TracePro实例中,旋转前和后的焦平面都设置为0 ,不太懂那个是焦平面?如何他们的聚焦点不一样呢? :|cC7, S  
      2. 还有就是对a’这个参数不太明白,如图:??为何旋转前设为0,旋转后设为8 反而出口面变小了?
    离线shogun
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    只看该作者 8楼 发表于: 2007-04-19
    1、事实上经过旋转后,对于单个抛物反射镜,焦平面的位置已经变了,但是对于边缘光线θmax,焦点位置仍然在对方的抛物线与旋转前的焦平面的交点上,我的理解是这两个点(在3D下事实上是一个圆)就是焦平面。也就是说,无论是front length还是back length都是离边缘光线的焦点的距离。或者说,CPC的焦平面的位置就是它对应的conical parabolic的焦平面的位置。 X!=E1TL  
    2、a'就是出光面的半径旋转前>8,现在要求它为8。 b4NUx)%ln  
    事实上只要tilt angle (即acceptance angle)一样,CPC的形状也是一样的,无非是加了个出光面a'的大小限制后,CPC被整体缩小了。事实上a'在加上tilt angle的旋转限制后,形状本身就要发生改变的,但是这种改变是按最大的情况,并不是我们需要的。 hcWYz  
    R9=K/  
    个人的理解呵呵。有时间用tracepro验证一下。我觉得对于旋转,我们只需要考虑终态就可以了,并不需要很了解过程状态。
    离线shogun
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    只看该作者 9楼 发表于: 2007-04-19
    大家继续讨论, 1Z9_sd~/6  
    到时候我出个终稿。