CN105044893B - 一种光能全反射聚光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光能全反射聚光器，由一整块透光材料制成，包括抛物面聚光体、圆柱反射体和圆弧折光面，三者沿同一对称轴依次设置；所述的抛物面聚光体与圆柱反射体首尾连接，所述的圆弧折光面由圆柱反射体底部的内侧挖去一块半球体而成；平行于对称轴的平行光束从抛物面聚光体顶部入射；圆弧折光面的圆心位于平行光束经过抛物面聚光体和圆柱反射体的反射后形成的焦点的上方，圆弧折光面的最高位置位于所有入射平行光束经过抛物面聚光体第一次反射后的传播路径下方。本发明能够聚集低能流密度的光束，方便将高能流密度的光能进行充分利用，具有简易、高效和实用的特点，利于广泛推广。

Description

一种光能全反射聚光器

技术领域

本发明属于太阳能和光学聚光领域，特别涉及一种光能全反射聚光器。

背景技术

随着全球日益加剧的能源需求，对太阳能等新兴能源的研究和利用日渐成为研究和开发的热点。因此，本发明的发明(设计)人的“基于仿生学原理的多曲面复合太阳能聚光器”(专利申请号：200710062696.0)的聚光器由2个或多个复合抛物面聚光器必须经过偏光器或者改型菲涅尔导光透镜过渡组成，采用的是镜面反射，反射率总是小于100％，而且随着使用时间的增加，反射率不断下降，光束在该聚光器中必须经过3次或者多次反射，反射次数较多增加了光束在反射过程中的损耗；另外，各级复合抛物面聚光器的两条组合抛物线经过旋转、平移或者截断而来，抛物线的焦点刚好落在抛物面的剖面线上，且各复合抛物面聚光器及偏光器的对称轴不一定在同一直线上，因此光束在该聚光器中始终无法汇聚于一焦点，光束较为散乱，不利于后续器件(比如光纤等)的接收和传输。

镜像焦点重叠式可变向平行光能流密度倍增器及设计方法(专利申请号：200710063059.5)的抛物面聚光器的两条组合抛物线经平移而来，光束经过组合抛物面聚光器和圆柱镜反射面后形成的镜像焦点与抛物面导光器的焦点重合后，光束经过抛物面导光器形成高能流密度的平行光束，对镜像焦点和抛物面导光器的同心度要求很高；同时，该发明采用的也是镜面反射，反射率总是小于100％，而且随着使用时间的增加，反射率不断下降。

全反射式复合多曲面聚光太阳能导光装置(专利申请号：201220259269.8)中，进入全反射式多曲面聚光器后的平行光束在经过其上部锥形面和下部为圆柱面的2次反射，在其下部的圆柱面中形成焦点后，分散的光束经过凸透镜汇聚镜形成扩散角较小的光束，但这个光束仍然是向外扩散的光束，还必须通过连接套内表面的镜面反射才能变成向内汇聚的光束，进而能让光纤端面所接收。因此，这种设计还是无法完全摆脱利用镜面反射所带来的反射衰减的弊端。

发明内容

本发明提供了一种光能全反射聚光器，该聚光器能够将其接收的太阳光经过2次全反射后，将光束聚集于该聚光器的下方，依据光学中的全反射原理，光束全反射时是100％的反射，没有了镜面反射中的反射损耗，而且整体成型，不会出现上述几种发明中由于多个部件组装误差带来的光能损耗。本发明具有结构简单、能量传输效率高的特点，适宜在传光或导光领域广泛推广。

本发明所采用的技术方案是：

一种光能全反射聚光器根据全反射原理进行聚光和传光，该一种光能全反射聚光器由一整块透光材料制成，包括抛物面聚光体、圆柱反射体和圆弧折光面，三者沿同一对称轴依次设置；所述的抛物面聚光体与圆柱反射体首尾连接，所述的圆弧折光面由圆柱反射体底部的内侧挖去一块半球体而成；平行于对称轴的平行光束从抛物面聚光体顶部入射；

所述的圆弧折光面的圆心位于平行光束经过抛物面聚光体和圆柱反射体的反射后形成的焦点F的上方，圆弧折光面的最高位置位于所有入射平行光束经过抛物面聚光体第一次反射后的传播路径下方；

所述的平行光束射入抛物面聚光体的入口后，到达其侧表面时的入射角θ满足以下关系：

平行光束经过抛物面聚光体的侧表面反射后射入圆柱反射体的侧面时，入射角δ满足以下关系：

其中，n为一种光能全反射聚光器材料的折射率。

在此基础上，本发明的一种光能全反射聚光器在平行光束照射条件下，满足全反射条件的光线a和光线b之间的光束首先在抛物面聚光体侧面形成第一次全反射，此时若无圆柱反射体，第一次全反射后的平行光束全部聚集于焦点F′；经过抛物面聚光体反射的光束与圆柱反射体形成的夹角δ满足全反射条件，光束在圆柱反射体侧面形成第二次全反射，此时若无圆弧折光面，则经过抛物面聚光体和圆柱反射体两次全反射的光束会聚在焦点F；但因为圆弧折光面的存在，经过抛物面聚光体和圆柱反射体两次全反射的光束在未到达焦点F之前先经过圆弧折光面的折射，由于圆弧对光的发散作用，对经过圆弧折光面的光束造成一定程度的发散，即光线与聚光器对称轴之间的夹角减小了，更有利于光束向后续接收器件(比如光纤)的传输。

为了不干扰入射平行光束顺利到达圆柱反射体侧面，圆弧折光面不能阻挡所有入射平行光束经过抛物面聚光体第一次反射后的传播路径；在所有入射平行光束经过抛物面聚光体反射后的第一次反射后的传播路径中，最内部入射光线第一次反射后的传播路径位置最低，即抛物面聚光体最低端B点上反射到圆柱反射体右侧面的光线(对应于入射光束中的光线b)。因此，圆弧折光面的最高位置位于所有入射平行光束经过抛物面聚光体第一次反射后的传播路径下方，即圆弧折光面的最高位置只能在经抛物面聚光体反射的平行光束中最内部入射光线第一次反射后的传播路径(对应图7中线段BP)的下方，圆弧折光面最高位置最多只能与上述光线传播路径相切，而不能相交。同时，为了保证圆弧折光面对前方来的光线的折射，是使折射后的光线与聚光器对称轴夹角减小，则圆弧折光面的圆心必须设置在焦点F的上方。

在此基础上，入射到本发明的一种光能全反射聚光器的全部平行光束中，大部分(即光线a和光线b之间的那部分光线)经过抛物面聚光体和圆柱反射体全反射，另一部分(即光线b到对称轴之间的那部分光线)，也就是在圆柱反射体直径范围内的平行入射光束则直接射入圆弧折光面，这一部分光束在经过圆弧折光面时，大部分的平行光束在圆弧折光面下方形成分散的光束，其中的一部分也能够被接收器接收；另一小部分光线由于入射角满足全反射条件，光从圆弧折光面全反射而不进入圆弧折光面下方，但这部分光线较为稀少。

同时，该一种光能全反射聚光器由一整块透光材料制成，该一种光能全反射聚光器为一个整体，便于整体成型，光线在本发明的一种光能全反射聚光器中的传输均为在同一介质中传输，利用光在透明实体内传播，在实体表面发生全反射的原理进行聚光。

因此，本发明的一种光能全反射聚光器能够将在抛物面聚光体范围内的平行入射光束经过2次全反射，将几乎全部平行光束聚集于该聚光器的下方，实现了对平行光束进行汇聚并传输的效果。同时，下述的设计可确保每一个反射点满足全反射要求，没有反射损耗。

进一步地，圆弧折光面的弧度为0～π，圆心的位置根据圆弧折光面弧度的不同而改变，调整圆弧折光面弧度，其圆心的位置也相应改变。

进一步地，圆弧折光面的宽度d满足d＞0且d＜l，其中l为圆柱反射体的直径。

进一步地，一种光能全反射聚光器所用材料折射率n大于圆弧折光面下方介质的折射率n'，即一种光能全反射聚光器所用材料折射率n大于周围空气介质的折射率n'。

进一步地，所述的抛物面聚光体的形状根据以下关系获得：

其中，p为抛物面聚光体轴截面形成的抛物线的焦参数，l为圆柱反射体的直径，k为参数；

参数k的取值满足以下关系：

且

其中，n为所述透光材料的折射率。

设抛物面聚光体轴截面形成的抛物线方程为：x²＝2py或抛物线方程必须同时满足平行光束与抛物线之间形成的入射角θ满足全反射的条件，即其中p为抛物线的焦参数，焦参数与参数k之间的关系为且因此同时，通过B点反射的光线到达圆柱反射体时的入射角δ满足同样地，要满足全反射的条件是因此，综上，k不能大于和中的小者。显然，后者为小，应取后者。

在满足的情况下，抛物线段AB和竖直反射面DN均满足全反射要求，但k的取值还需再综合考虑聚光器的几何聚光比β和聚光器的宽高比α(几何聚光比β和聚光器的宽高比α由参数k唯一决定，且β随k增大而减小，而α则随k增大而增大)。理想的聚光器是β和α都要尽可能大，如果从省料的角度考虑，k应该在满足全反射的条件下，尽量取较大的数值，此时α较大，而几何聚光比β将较小，聚光效率也将下降；如果从聚光效率高的角度考虑，k应该在满足全反射的条件下，尽量取较小的数值，此时α较小，而几何聚光比β将较大，将会耗费较多的原材料。因而k的最优取值在比较了能源价格和聚光器材料价格的高低后即可最终确定。

在确定了抛物线焦参数p，即可得出抛物线A′B′CD′E′的形状和大小：

开口向上的抛物线A′B′CD′E′满足以下关系x²＝2py，其中，焦参数p与抛物线参数k之间的关系p＝kl，因此，得出抛物线A′B′CD′E′的形状，以及A点坐标和B点的坐标；

A点坐标可确定为：

B点坐标可确定为：

进一步地，所述的一种光能全反射聚光器组成的一种光能全反射聚光***，其特征在于：所述光能全反射聚光***由多个所述光能全反射聚光器通过并联组合形成。

进一步地，所述光能全反射聚光***为单向大截面的聚光***，由多个所述光能全反射聚光器并联组合形成，且各个所述光能全反射聚光器的抛物面聚光体顶部处于同一平面，增加了对该平面的平行入射光束的接收面，得到更高密度的能流光能；

进一步地，所述光能全反射聚光***为多向截面的聚光***，由多个所述光能全反射聚光器并联组合形成，且相邻的各个所述光能全反射聚光器的对称轴呈夹角设置，尽可能地将各个时段太阳光作为平行入射光束进行采集，延长了最佳采光时段，保证每个时段均能采集到最佳光能。

本发明的有益效果是：

1、确保该一种光能全反射聚光器每一个反射点满足全反射要求，没有反射损耗，能够将在抛物面聚光体范围内的平行入射光束经过2次全反射，将几乎全部低能流密度的平行光束聚集于圆弧折光面的下方，实现了对平行光束进行汇聚并传输的效果，方便将高能流密度的光能进行充分利用，具有简易、高效和实用的特点，利于广泛推广。

2、能够将低能流密度的平行光束汇聚到一点，并能够将光束汇聚焦点下移，光束汇聚的焦点可以调整至聚光器下方的任意位置。

3、能够将室外的直射或散射阳光汇聚，平行光的汇聚效果最佳，并通过在本发明的聚光器下方安装光源接收器，则可实现对光能高度收集和传播，并减少了光束在到达光源接收器前不必要的损耗。

4、通过由多个所述光能全反射聚光器并联组合形成的聚光***，扩大了对接收光源的来源，延长和增加了最佳采光时间和光线采集密度。

5、方便铸造，并利于光线在本聚光器中实现全反射。

附图说明

图1是本发明一种光能全反射聚光器的整体结构示意图；

图2是本发明一种光能全反射聚光器的立体结构示意图；

图3是本发明一种光能全反射聚光器的光路图；

图4、图5是本发明一种光能全反射聚光器的光路原理图；

图6是本发明一种光能全反射聚光器的圆弧折光面位置示意图；

图7是本发明一种光能全反射聚光器的设计方法图；

图8是本发明一种光能全反射聚光***(多向截面)的结构示意图；

图9是本发明一种光能全反射聚光***(单向大截面)的结构示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种光能全反射聚光器，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

实施例1

如图1和图2所示，一种光能全反射聚光器根据全反射原理进行聚光和传光，该一种光能全反射聚光器由一整块透光材料制成，包括抛物面聚光体1、圆柱反射体2和圆弧折光面3，三者沿同一对称轴依次设置；所述的抛物面聚光体1与圆柱反射体2首尾连接，所述的圆弧折光面3由圆柱反射体2底部的内侧挖去一块半球体而成；平行于对称轴的平行光束从抛物面聚光体1顶部入射；

该一种光能全反射聚光器由一整块透光材料制成，该一种光能全反射聚光器为一个整体，便于整体成型，光线在本发明的一种光能全反射聚光器中的传输均为在同一介质中传输，利用光在透明实体内传播，在实体表面发生全反射的原理进行聚光。

圆弧折光面的弧度为0～π，圆心的位置根据圆弧折光面3弧度的不同而改变，调整圆弧折光面弧度，其圆心的位置也相应改变。

圆弧折光面3的直径d满足d＞0且d＜l，其中l为圆柱反射体2的直径。

该一种光能全反射聚光器所用材料折射率n大于圆弧折光面3下方介质的折射率n'，即一种光能全反射聚光器所用材料折射率n大于周围空气介质的折射率n'。

如图3、图4、图5和图6所示，平行于对称轴的平行光束从抛物面聚光体1顶部入射；圆弧折光面3的圆心位于平行光束经过抛物面聚光体1和圆柱反射体2的反射后形成的焦点F的上方，圆弧折光面3的最高位置位于所有入射平行光束经过抛物面聚光体1第一次反射后的传播路径下方；平行光束射入抛物面聚光体1的入口后，到达其侧表面时的入射角θ满足关系：平行光束经过抛物面聚光体1的侧表面反射后射入圆柱反射体2的侧面时，入射角δ满足关系：其中，n为一种光能全反射聚光器材料的折射率。

在此基础上，本发明的一种光能全反射聚光器在平行光束照射条件下，满足全反射条件的光线a和光线b之间的光束首先在抛物面聚光体侧面形成第一次全反射，此时若无圆柱反射体2，第一次全反射后的平行光束全部聚集于焦点F′；经过抛物面聚光体1反射的光束与圆柱反射体2形成的夹角δ满足全反射条件，光束在圆柱反射体2侧面形成第二次全反射，此时若无圆弧折光面3，则经过抛物面聚光体1和圆柱反射体2两次全反射的光束会聚在焦点F；但因为圆弧折光面的存在，经过抛物面聚光体1和圆柱反射体2两次全反射的光束在未到达焦点F之前先经过圆弧折光面3的折射，由于圆弧对光的发散作用，对经过圆弧折光面3的光束造成一定程度的发散，即光线与聚光器对称轴之间的夹角减小了，更有利于光束向后续接收器件(比如光纤)的传输。

为了不干扰入射平行光束顺利到达圆柱反射体2侧面，圆弧折光面3不能阻挡所有入射平行光束经过抛物面聚光体1第一次反射后的传播路径；在所有入射平行光束经过抛物面聚光体1反射后的第一次反射后的传播路径中，最内部入射光线第一次反射后的传播路径位置最低，即抛物面聚光体1最低端B点上反射到圆柱反射体2右侧面的光线(对应于入射光束中的光线b)；因此，圆弧折光面3的最高位置位于所有入射平行光束经过抛物面聚光体1第一次反射后的传播路径下方，即圆弧折光面的最高位置只能在经抛物面聚光体1反射的平行光束中最内部入射光线第一次反射后的传播路径(对应图7中线段BP)的下方，圆弧折光面3最高位置最多只能与上述光线传播路径相切，而不能相交。同时，为了保证圆弧折光面3对前方来的光线的折射，是使折射后的光线与聚光器对称轴夹角减小，则圆弧折光面3的圆心必须设置在焦点F的上方。

在此基础上，入射到本发明的一种光能全反射聚光器的全部平行光束中，大部分(即光线a和光线b之间的那部分光线)经过抛物面聚光体1和圆柱反射体2全反射，另一部分(即光线b到对称轴之间的那部分光线)，也就是在圆柱反射体2直径范围内的平行入射光束则直接射入圆弧折光面3，这一部分光束在经过圆弧折光面3时，大部分的平行光束在圆弧折光面3下方形成分散的光束，其中的一部分也能够被接收器接收；另一小部分光线由于入射角满足全反射条件，光从圆弧折光面3全反射，而不进入圆弧折光面3下方，但这部分光线较为稀少。

因此，本发明的一种光能全反射聚光器能够将在抛物面聚光体范围内的平行入射光束经过2次全反射，将全部平行光束聚集于该聚光器的下方，实现了对平行光束进行汇聚并传输的效果。

另外，如图4、图5、图6和图7所示，的形状根据以下关系获得：

其中，p为抛物面聚光体轴截面形成的抛物线的焦参数，l为圆柱反射体的直径，k为参数；

参数k的取值满足以下关系：

且

其中，n为所述透光材料的折射率。

在确定了圆柱反射体2的直径l的前提下，设抛物面聚光体轴截面形成的抛物线方程为：x²＝2py或抛物线方程必须同时满足平行光束与抛物线之间形成的入射角θ满足全反射的条件，即其中p为抛物线的焦参数，焦参数与参数k之间的关系为且因此同时，通过B点反射的光线到达圆柱反射体时的入射角δ满足同样地，要满足全反射的条件是因此，(n≥1)。综上，k不能大于和中的小者。显然，后者为小，应取后者。

在满足的情况下，抛物线段AB和竖直反射面DN均满足全反射要求，但k的取值还需再综合考虑聚光器的几何聚光比β和聚光器的宽高比α(几何聚光比β和聚光器的宽高比α由参数k唯一决定，且β随k增大而减小，而α则随k增大而增大)。理想的聚光器是β和α都要尽可能大，如果从省料的角度考虑，k应该在满足全反射的条件下，尽量取较大的数值，此时α较大，而几何聚光比β将较小，聚光效率也将下降；如果从聚光效率高的角度考虑，k应该在满足全反射的条件下，尽量取较小的数值，此时α较小，而几何聚光比β将较大，将会耗费较多的原材料。因而k的最优取值在比较了能源价格和聚光器材料价格的高低后即可最终确定。

在确定了抛物线焦参数p，即可得出抛物线A′B′CD′E′的形状和大小：

开口向上的抛物线A′B′CD′E′满足以下关系x²＝2py，其中，焦参数p与抛物线参数k之间的关系p＝kl，因此，得出抛物线A′B′CD′E′的形状，以及A点坐标和B点的坐标；

A点坐标可确定为：

B点坐标可确定为：

实施例2

如图8所示，将多个实施例1所述的光能全反射聚光器通过并联组合方式形成单向大截面聚光***。大截面的聚光***通过将多个本发明的一种光能全反射聚光器设置成同一平面的结构，增加了对该平面的平行入射光束的接收面，得到更高密度的能流光能。

实施例3

如图9所示，将多个实施例1所述的光能全反射聚光器通过并联组合方式形成多向截面聚光***。多截面的聚光***通过将并联的一种光能全反射聚光器设置成多角度，尽可能地将各个时段太阳光作为平行入射光束进行采集，延长了最佳采光时段，保证每个时段均能采集到最佳光源。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光能全反射聚光器，其特征在于：该一种光能全反射聚光器由一整块透光材料制成，包括抛物面聚光体(1)、圆柱反射体(2)和圆弧折光面(3)，三者沿同一对称轴依次设置；所述的抛物面聚光体(1)与圆柱反射体(2)首尾连接，所述的圆弧折光面(3)由圆柱反射体(2)底部的内侧挖去一块半球体而成；平行于对称轴的平行光束从抛物面聚光体(1)顶部入射；

所述的圆弧折光面(3)的圆心位于平行光束经过抛物面聚光体(1)和圆柱反射体(2)的反射后形成的焦点F的上方，圆弧折光面(3)的最高位置位于所有入射平行光束经过抛物面聚光体(1)第一次反射后的传播路径下方；

所述的平行光束射入抛物面聚光体(1)的入口后，到达其侧表面时的入射角θ满足以下关系：

<mrow> <mi>sin</mi> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>n</mi> </mfrac> </mrow>

平行光束经过抛物面聚光体(1)的侧表面反射后射入圆柱反射体(2)的侧面时，入射角δ满足以下关系：

<mrow> <mi>sin</mi> <mi>&amp;delta;</mi> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>n</mi> </mfrac> </mrow>

其中，n为所述透光材料的折射率。

2.根据权利要求1所述的一种光能全反射聚光器，其特征在于：圆弧折光面(3)的弧度为0～π。

3.根据权利要求2所述的一种光能全反射聚光器，其特征在于：圆弧折光面(3)的直径d满足d＞0且d＜l，其中l为圆柱反射体(2)的直径。

4.根据权利要求3所述的一种光能全反射聚光器，其特征在于：所述透光材料的折射率n大于圆弧折光面(3)下方介质的折射率n'。

5.根据权利要求1所述的一种光能全反射聚光器，其特征在于：所述的抛物面聚光体(1)的形状根据以下关系获得：

<mrow> <mfrac> <mi>p</mi> <mi>l</mi> </mfrac> <mo>=</mo> <mi>k</mi> </mrow>

其中，p为抛物面聚光体(1)轴截面形成的抛物线的焦参数，l为圆柱反射体(2)的直径，k为参数；

参数k的取值满足以下关系：

<mrow> <mi>k</mi> <mo>&amp;le;</mo> <mfrac> <mn>3</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <msqrt> <mrow> <msup> <mi>n</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msqrt> </mrow> 且 <mfenced open = '' close = ''> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>k</mi> <mo>&amp;le;</mo> <mfrac> <mn>3</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mfrac> <msqrt> <mrow> <msup> <mi>n</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msqrt> <mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>(</mo> <mn>0</mn> <mo>&lt;</mo> <mi>k</mi> <mo>&lt;</mo> <mfrac> <mn>2</mn> <mn>3</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

其中，n为所述透光材料的折射率。

6.根据权利要求1－5任一项所述的一种光能全反射聚光器组成的一种光能全反射聚光***，其特征在于：所述光能全反射聚光***由多个所述光能全反射聚光器通过并联组合形成。

7.根据权利要求6所述一种光能全反射聚光***，其特征在于：所述光能全反射聚光***为单向大截面的聚光***，由多个所述光能全反射聚光器并联组合形成，且各个所述光能全反射聚光器的抛物面聚光体(1)顶部处于同一平面。

8.根据权利要求6所述一种光能全反射聚光***，其特征在于：所述光能全反射聚光***为多向截面的聚光***，由多个所述光能全反射聚光器并联组合形成，且相邻的各个所述光能全反射聚光器的对称轴呈夹角设置。