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shogun 2007-04-17 18:25

CPC学习笔记-初稿

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。 cVMTT]cj1  
0;9 LIL5  
转载请注明作者:shogun@www.opticsky.cn,E-mail:charmingglass008@163.com R?(j#bk  
sgX~4W"J  
同时,搭贴求两本书的电子版:《Nonimaging Optics》、《High Collection Nonimaging Optics》 sYL+;(#t  
以下是正文: Tr8+E;;  
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CPC学习笔记 '#fj)  
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shogun@www.opticsky.cn,E-mail:charmingglass008@163.com 7Vi[I< *  
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@RC_Ie=#)  
§1.1什么是CPC(Compound Parabolic Concetrator) ;O CYx[|  
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。 B?]^}r  
t?s1@}G^  
§1.2抛物线方程(Parabolic Function) ^%nAx| 4xQ  
y~\z_') <>  
[attachment=7812] C-(&zwj?!  
如图1.1,抛物线的极坐标方程为: jH8F^KJM[  
ρ=2f/(1+cosθ                                  (1.1) C$P3&k#W  
则抛物面的半口径R为: {MHr]A}X\  
R=ρsinθ                                          (1.2) J-U}iU|  
对于一束平行光,经理想抛物面反射后总能汇集到焦点。若将光源置于焦点位置,根据光路可逆性,从抛物面出来的是比较完美的平行光。抛物面的这个特性使它被广泛应用在各种照明系统中。 Dbgw )n*2  
30<^0J.1  
仔细分析,我们可以发现: |Bjb  
AC+CF=BD+DF                              (1.3) -6? 5|\  
A、B为平行光束与平行光束垂直面m的交点。 7"gy\_M  
事实上,抛物线即是从平行光出发点到焦点光程相等点的轨迹的集合。后文的string method将用到这一概念。 k,?k37%T]  
在图1.1中,假设f=8mm,θ=135°,则R=ρsinθ=38.6mm。 )Z62xK2  
§1.3边缘光线原理(Edge-Ray Principle) :G!Kaa,r  
    对聚光器经常采用边缘光线法进行分析。边缘光线即是以最大入射角入射于聚光器边缘,并被反射器反射一次后出射在接收器(吸收面)边缘的光线。 "Kqe4$  
§1.3.1聚光比(Concentration Ratio) {AZW."?  
对于一个聚光器,我们定义聚光比为: fE(rDQI  
C=Aentry/Aexit                                    (1.4) bNXT*HOZb3  
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) 5yry$w$G)  
§1.3.2接收角(Acceptance Angle) $+tkBM  
如图1.2,接收角定义为边缘光线被反射器反射一次后出射在接收器边缘时(仍在出射面内)入射光线与垂直方向的夹角θmax。 [P^ .=F  
&ha39&I  
[attachment=7813] rA9"CN  
§1.3.3拉线法(String Method)分析抛物线轨迹 JLjx4B\  
如图1.2,将一根圆杆(rod)与水平面成θmax角放置于聚光器入射端。圆杆上有一个圆环,圆环上系有细线(string),细线的一端系于焦点d。将细线拉直,并保证垂直于圆杆,圆环从A走到C,细线另一头a走过的轨迹即为抛物线。显而易见,Aa+ad=Bb+bd=Cc+cd。 rn(T Z}  
[j5L}e!T  
]1klfp,`  
图1.2是拉线法的最简单示意。在Solar Energy System中,不同的吸收面(如Cylindrical Absorber)都可以用string method来显示反射面的轨迹。这种轨迹可能是渐开线与抛物线的结合。 x{=ty*E  
;&iQNXL  
j}y"  
§1.4抛物面的倾斜(Tilt of Parabolic) 5[0n'uH  
首先,CPC并非是通常的聚光器。从截面来看,两个反射面的焦点并不一定是同一点。也就是说,并非共焦系统,所以是非成像系统(Nonimaging System)。如图1.2,右面反射镜的焦点在d点。左面反射镜的焦点在c点。这就是“复合(compound)”的真正意思,是由两片反射镜组合在一起的。两片反射镜的光轴并不重合,但是它们有自己的对称轴Z。 FsD}N k=m~  
不同形态的CPC可由抛物线经旋转(tilt)得到。如图1.3,虚线1、2是未经旋转的抛物线(Original Parabolic),两者的光轴本来是水平的。反射镜1的光轴Axis1绕自己的焦点f1旋转了20°,反射镜1也跟着旋转了20°,到1’的位置。抛物线2也经过的同样的旋转,只是方向相反。 4Y Kb~1qkk  
[attachment=7814] .6r&<*  
n84*[d}t  
经过旋转,可以获得我们需要的接收角。大于接收角的光线将会被系统反射出去,无法到达吸收面(exit aperture)(见图1.9)。 eOS#@6U=u  
事实上,由式(1.5)可知,减少接收角也就增大了集光率C: !fZxK CsQ  
NKRNEq!  
C=1/sinθmax                  (1.5) N O'-HKHj  
0%v p'v  
下面我们对旋转前后的参数进行一些计算。 GR/ p%Y(  
4/$]wK`  
[attachment=7815] QH+Oi&xH  
9Czc$fSSt  
如图1.4,简单地,可以得到: cd\0  
oM J5;  
R=2fl/(1-cosΦ                          (1.6) z55P~p  
r=Rsin(Φ-θmax)-a’        (1.7) wL~ dZ! ,J  
z=Rcos(Φ-θmax)                      (1.8) p!173y,nL  
fl=a’(1+sinθmax)                  (1.9) NKO5c?ds  
h T4fKc7P  
在tracepro中,根据需要,Axis tilt可任意选择,只要保证开口口径(entry aperture)不为0即可。对于规范的聚光器(textbook concentrator),Axis tilt即为接收角θmax。Lateral focal shift,顾名思义就是焦点(focal point)在Lateral方向(图1.5的Y方向)上的移动量(shift)。若Lateral focal shift=0,焦点未发生移动,仍在焦平面与中心轴的交点。对于规范的聚光器(textbook concentrator),Lateral focal shift即为a',即保证满足边缘光线原理。 3rs=EMz:w  
9"&HxyOfX  
|XPT2eQ{  
qL(Qmgd  
§1.5tracepro中CPC的建立与模拟 8$S$*[-a  
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。 $6R<)]6  
[attachment=7816] +[:}<^p?cG  
旋转后的CPC如图1.6: /,wG$b+  
[attachment=7817] {,,w5/k^  
对旋转前后的CPC进行模拟: evq *&.6\  
[attachment=7818] p^NYJV  
  [attachment=7819] 7|*|xLrVY  
+tl&Jjdm  
&vo]l~.  
若θ>θmax,光束将被系统反射出去。如图1.9: wtaeF+u-R-  
K@6$|.bc  
[attachment=7820]
6618 2007-04-17 23:42
支持原创,很不错,学习一下。
suezl9 2007-04-18 08:21
绝对要支持!!!!!!!!!!!!!
leklee89 2007-04-18 09:22
shogun猛将兄 非常感谢.... 
fantasye 2007-04-18 11:03
恩,不错,绝对好贴,楼主能把其他TRACEPRO和ZEMAX的学习笔记发给我嘛,就最基本的对我帮助很大,我刚开始接触这两个软件,很多设定都不知道,拜托大哥了,江湖救急.
shogun 2007-04-18 13:08
哪有这么容易的? x%5n&B  
其实设置说到底还是简单的, nTyK Z(#u  
设计要知道原理, X^7bOFWE  
原理才是最难的。 7C F-?M!  
O$<kWSC  
我也才刚刚学呵呵。
fantasye 2007-04-18 16:50
大哥在啊,能跟小弟交流一下么,我油箱是fantasye@126.com,QQ:  126083895  .IE2d%]?  
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!
leklee89 2007-04-19 09:46
尚有几处不够明白,请教先: C5c@@ch :  
  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? o+ r?N5  
  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?
shogun 2007-04-19 10:35
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。 N`h,2!(j  
2、a'就是出光面的半径旋转前>8,现在要求它为8。 n<+g{QHi  
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。 |@`F !bnLr  
p8aGM-+40W  
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。
shogun 2007-04-19 10:38
大家继续讨论, N =FX3Z  
到时候我出个终稿。
518918 2007-04-19 13:56
论坛交流气氛越来越好,支持!
bezalel 2007-04-19 14:26
引用第8楼shogun于2007-04-19 10:35发表的  : K9O%SfshF  
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。 BPs|qb-  
2、a'就是出光面的半径旋转前>8,现在要求它为8。 X$Eg(^La  
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。 x8x8T $  
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。
.,[ NJ:l  
?&A)%6` ~  
{| ~  
5ar2Y$bY  
感谢 shogun提供的资料 w{TZN{Y  
我以前也没有涉及过非成像光学,看了这几天都在一边想一边做CPC,针对两位的讨论我想回应一下: %:Mi6 sR|  
5^lFksZ  
1。楼主在图 1.2上提到string method ,那么d点就应该是抛物线弧abc的焦点;同理c是ed弧的焦点,那么该cpc的焦平面就是dc所在的圆面,是不是可以这样理解就是“cpc的焦平面”? kd55y  
nY y%=B|>  
那如果是这样的话,图1.4上的a'  ,应该就是tracepro设定上的“lateral focal shift”,就是上面所说的“cpc焦平面”半径。 [.:SV|AF#  
-7-r~zmr  
请问你们是这样理解的吗?  rG[iEY  
v3\ |  
\"k[y+O],4  
2。然后有一个疑惑,就是tracepro设定上的“foci”栏 “focal”值,(图1.5 1.6 都有)。这个focal值是图1.4中的 fl 吗?也就是原先抛物线的焦距(焦点到顶点距离)?还是其他? r:N =?X`N  
8k[=$Ro  
76 nrDE  
n1!hfu7@s  
.kwz$b+h  
因为shogun兄的raytrace图是用平行grid raytrace,是不是考虑到cpc多用于汇聚太阳光,从而采用平行光模拟的呢?这样的模拟结果似乎也看不出焦平面,而是一连串的汇聚点。 }OZut!_  
Yx#?lA2gx  
&k53*Wo  
tracepro设定参数涉及一个back length,看样子就是cpc焦平面后部的实体部分了。 vX?MB  
有没有一种思路,比如说针对一个具体的情况怎么样设定一个cpc各项参数?比如说有没有一个例子来说明,面对一个idea的时候,怎么着手考虑cpc的设定,从哪些光学效果需求来考虑cpc的参数呢?
bezalel 2007-04-19 14:29
顺带说下,shogun你要的那两本书如果现在有了可以不可以分享一下哈~偶也想看。。
bezalel 2007-04-19 14:50
引用第7楼leklee89于2007-04-19 09:46发表的  : P55QE+B  
尚有几处不够明白,请教先: +jD*Jtb<  
  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? n3z]&J5fr  
  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?
EN2H[i+,  
-tPia=^  
npCiqO  
又做了些试验。。。。 #3~hF)u&/  
6[x6:{^J  
2。从字面上理解,"lateral focal shift”就是“焦点平移量”之类,从图1.4上看,可不可以这样理解,是说这个a'值的正方向,就是“原抛物线焦点”到“cpc新焦点”的这个移动距离,那么由于在绕其轴tilt的时候,整个体是“收缩”的,当a' 为正的时候,数值越大,出口面越小;你用tracepro 设一个负值就知道了。 PP*',D3  
^QG;:.3v  
  也就是说,个人理解这个 a' ,就是tracepro中的 lateral focal shift,是指原抛物线焦点的一个相对位移,而不是“cpc出口半径” C}'Tmi  
l@W1b S  
你觉得呢
shogun 2007-04-19 15:35
1、焦点位置是与入射角θ相联系的。对于θmax,焦点在出射面边缘,也就是C或者D点。焦点的集合是焦平面。焦平面是我自己加的概念,是针对未旋转前的抛物面的。旋转以后,每个反射器的焦平面都改变了。 ZbAg^2  
n9H4~[JiC  
2、tracepro的gird trace只能设定一个角度的平行光,所以模拟的结果只有一个焦点。实际上太阳能也只有一个焦点,因为太阳光是近似的平行光。但是随着太阳的移动,而反射器跟踪太阳比较麻烦,所以搞了个accptance angle,让不同角度的太阳光也能聚集到焦点。此刻的焦点位置已经改变。为了减少反射损失,只能让焦点在原来接收面的后方,所以接收需要一个“面”。这个是我的理解呵呵。这个只是初稿,很多方面没有进行深入的模拟、探讨。 PKjM1wqaG@  
F[@M?  
3、关于Lateral focal shift ,就是焦点位置在垂直于concentrator axis(即lateral方向)上的改变,若Lateral focal shift=0,则对于θmax入射的平行光,焦点仍旧在原点。对于text concentrator,θmax入射的平行光焦点是在对方抛物线上的,所以有一个lateral focal shift,这个shift=a'。大家可以参照tracepro的描述:equal to the exit port radius for a textbook concentrator。 $-w&<U$E  
4、要设计的话,只要知道我需要在多大的角度(也就是多长的时间,太阳角度变换15度/小时)上接收太阳光、接收面需要多大、再结合外观的长度就可以了吧。 Hd_W5R  
[,a2A  
5、那两本书是最经典的。其实有了这两本书所有的问题都解决了。目下我还没有找到,抱歉。你找到了可以发给我,谢谢。 O3JBS^;V2  
H13kNhV9  
hU|TP3*  
sx^0*h-Qq  
讨论起来,我的思路也清晰了哈哈。
shogun 2007-04-19 16:16
都被搞晕了 CT0 ~  
明天再继续搞
shogun 2007-04-23 16:50
原文部分已做修改。。。。。。。。。。。。。。。。。
wenwen1 2007-04-24 10:59
支持原创,很不错,学习一下。
晴远 2007-04-26 10:08
谢谢 SJ8CBxA  
我也正在学习CPC,但是不知道应该怎样在Tracepro中进行分析 rtn.^HF  
正好学习一下
optics 2007-05-04 12:44
绝对要支持!!!!!!!!!!!!!
文文 2007-05-12 22:12
不错呀,现在交流气氛很好!
chuck29 2007-05-16 10:45
樓主  非常感谢....
我来也 2007-05-24 11:38
原创文章要支持!
haha46 2007-05-30 16:47
支持楼主,偶是新来滴,学习中。。。
sseerr 2007-06-01 15:44
支持原创,很不错,学习一下。
金猪lxl 2007-07-09 14:08
太好了
mitchelltw 2007-08-13 13:08
Push~~good article
yechenghen 2007-08-13 15:30
shogun猛将兄 非常感谢....
smzszh 2007-11-25 21:16
hao G?dxLRy.do  
hao
xieql 2007-11-27 09:59
请教:那个L=front length按公式计好像不对,而且任意输入也能建模。怎回事?
tarco 2007-12-11 17:29
讚啦...好料喔.... 3aUWQP2  
萬歲...
wsphdr 2007-12-19 11:18
好贴! chakp!S=  
网上信息,楼主需要的《High....》书在重庆大学图书馆有,方便的好人借出来共享下!
chenlau 2007-12-19 14:35
确实是不错的帖子
lshi2005 2008-01-08 13:21
why can not find the attachment!!!!
flightpig 2008-10-15 08:28
看了一下cpc的討論,小弟還是搞不懂cpc在應用上,和傳統拋物面的差異性,因為聚光效能的話,拋物面應該是最好的,那cpc能應用的點在那呢?
mingguo 2008-10-15 15:08
CPC还以为是 Communist Party of China
neoneongj 2008-12-13 10:59
原创是最重要的,支持!
daluo 2009-01-14 20:16
那么好的帖子居然没人支持?我来支持一下,感谢楼主无私奉献~
zqs2008 2009-02-14 20:14
强,值得学习!!!
symmet 2009-02-17 22:41
问个很菜的问题,对CPC的反光杯,焦平面就是小端的开口面是吗?为什么我设计的cpc反光杯模以出来不是平行的呢?
开心一百年 2009-02-19 21:35
好贴!!!
view_19 2009-02-20 15:58
支持原创,很不错,学习一下。
view_19 2009-02-20 16:29
很不错,学习一下。
gupingyuan 2009-03-17 15:19
楼主你好历害啊,可不可以发个设计聚光灯杯的教程给我啊,先多谢楼主。。。。
wanggang10 2009-03-24 11:36
支持原创,很不错,学习一下。
nierong012 2009-05-01 11:24
楼主,终稿什么时候有啊  嘿嘿,等着呢
nierong012 2009-05-01 11:37
http://www.opticsky.cn/read.php?tid=29818   2(AuhZ>  
nonimaging optics照明光学设计(完全版)
fbc110 2009-07-11 19:46
好帖,非常感谢,不过的抛物线方程错了,1-极角的余弦。
ludy 2009-07-23 22:13
如图1.4,简单地,可以得到: vB+ '   xi[\2g+  
Ao/ jt<   8Z!Mad  
R=2fl/(1-cosΦ                          (1.6) -kbg\,PW   J%FF@.)k  
r=Rsin(Φ-θmax)-a’        (1.7) /a6Xa&(B   Ajm4q_  
z=Rcos(Φ-θmax)                      (1.8) 6]-SK$   3IG<Ot9  
fl=a’(1+sinθmax)                  (1.9) Afk$?wkL   (vFO'jtcB-  
^n+!4(@= -*$ s ;G#  
4n} a%ocv^  
这个看不懂
majyo744 2009-09-01 10:45
shogun猛将兄 非常感谢....
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