一種光能全反射聚光器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于太陽(yáng)能和光學(xué)聚光領(lǐng)域，特別涉及一種光能全反射聚光器。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著全球日益加劇的能源需求，對(duì)太陽(yáng)能等新興能源的研究和利用日漸成為研究 和開發(fā)的熱點(diǎn)。因此，本發(fā)明的發(fā)明（設(shè)計(jì)）人的"基于仿生學(xué)原理的多曲面復(fù)合太陽(yáng)能聚 光器"（專利【申請(qǐng)?zhí)枴?00710062696. 0)的聚光器由2個(gè)或多個(gè)復(fù)合拋物面聚光器必須經(jīng)過 偏光器或者改型菲涅爾導(dǎo)光透鏡過渡組成，采用的是鏡面反射，反射率總是小于100%，而 且隨著使用時(shí)間的增加，反射率不斷下降，光束在該聚光器中必須經(jīng)過3次或者多次反射， 反射次數(shù)較多增加了光束在反射過程中的損耗；另外，各級(jí)復(fù)合拋物面聚光器的兩條組合 拋物線經(jīng)過旋轉(zhuǎn)、平移或者截?cái)喽鴣?lái)，拋物線的焦點(diǎn)剛好落在拋物面的剖面線上，且各復(fù)合 拋物面聚光器及偏光器的對(duì)稱軸不一定在同一直線上，因此光束在該聚光器中始終無(wú)法匯 聚于一焦點(diǎn)，光束較為散亂，不利于后續(xù)器件（比如光纖等）的接收和傳輸。
[0003] 鏡像焦點(diǎn)重疊式可變向平行光能流密度倍增器及設(shè)計(jì)方法（專利【申請(qǐng)?zhí)枴?200710063059. 5)的拋物面聚光器的兩條組合拋物線經(jīng)平移而來(lái)，光束經(jīng)過組合拋物面聚 光器和圓柱鏡反射面后形成的鏡像焦點(diǎn)與拋物面導(dǎo)光器的焦點(diǎn)重合后，光束經(jīng)過拋物面導(dǎo) 光器形成高能流密度的平行光束，對(duì)鏡像焦點(diǎn)和拋物面導(dǎo)光器的同心度要求很高；同時(shí)，該 發(fā)明采用的也是鏡面反射，反射率總是小于100%，而且隨著使用時(shí)間的增加，反射率不斷 下降。
[0004] 全反射式復(fù)合多曲面聚光太陽(yáng)能導(dǎo)光裝置（專利【申請(qǐng)?zhí)枴?01220259269. 8)中，進(jìn) 入全反射式多曲面聚光器后的平行光束在經(jīng)過其上部錐形面和下部為圓柱面的2次反射， 在其下部的圓柱面中形成焦點(diǎn)后，分散的光束經(jīng)過凸透鏡匯聚鏡形成擴(kuò)散角較小的光束， 但這個(gè)光束仍然是向外擴(kuò)散的光束，還必須通過連接套內(nèi)表面的鏡面反射才能變成向內(nèi)匯 聚的光束，進(jìn)而能讓光纖端面所接收。因此，這種設(shè)計(jì)還是無(wú)法完全擺脫利用鏡面反射所帶 來(lái)的反射衰減的弊端。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供了一種光能全反射聚光器及其設(shè)計(jì)方法，該聚光器能夠?qū)⑵浣邮盏奶?陽(yáng)光經(jīng)過2次全反射后，將光束聚集于該聚光器的下方，依據(jù)光學(xué)中的全反射原理，光束全 反射時(shí)是100 %的反射，沒有了鏡面反射中的反射損耗，而且整體成型，不會(huì)出現(xiàn)上述幾種 發(fā)明中由于多個(gè)部件組裝誤差帶來(lái)的光能損耗。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量傳輸效率高的 特點(diǎn)，適宜在傳光或?qū)Ч忸I(lǐng)域廣泛推廣。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種光能全反射聚光器根據(jù)全反射原理進(jìn)行聚光和傳光，該一種光能全反射聚光 器由一整塊透光材料制成，包括拋物面聚光體、圓柱反射體和圓弧折光面，三者沿同一對(duì)稱 軸依次設(shè)置；所述的拋物面聚光體與圓柱反射體首尾連接，所述的圓弧折光面由圓柱反射 體底部的內(nèi)側(cè)挖去一塊半球體而成；平行于對(duì)稱軸的平行光束從拋物面聚光體頂部入射；
[0008] 所述的圓弧折光面的圓心位于平行光束經(jīng)過拋物面聚光體和圓柱反射體的反射 后形成的焦點(diǎn)F的上方，圓弧折光面的最高位置位于所有入射平行光束經(jīng)過拋物面聚光體 第一次反射后的傳播路徑下方；
[0009] 所述的平行光束射入拋物面聚光體的入口后，到達(dá)其側(cè)表面時(shí)的入射角Θ滿足 以下關(guān)系：
[0011] 平行光束經(jīng)過拋物面聚光體的側(cè)表面反射后射入圓柱反射體的側(cè)面時(shí)，入射角S 滿足以下關(guān)系：
[0013] 其中，η為一種光能全反射聚光器材料的折射率。
[0014] 在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明的一種光能全反射聚光器在平行光束照射條件下，滿足全反 射條件的光線a和光線b之間的光束首先在拋物面聚光體側(cè)面形成第一次全反射，此時(shí)若 無(wú)圓柱反射體，第一次全反射后的平行光束全部聚集于焦點(diǎn)F';經(jīng)過拋物面聚光體反射的 光束與圓柱反射體形成的夾角S滿足全反射條件，光束在圓柱反射體側(cè)面形成第二次全 反射，此時(shí)若無(wú)圓弧折光面，則經(jīng)過拋物面聚光體和圓柱反射體兩次全反射的光束會(huì)聚在 焦點(diǎn)F ;但因?yàn)閳A弧折光面的存在，經(jīng)過拋物面聚光體和圓柱反射體兩次全反射的光束在 未到達(dá)焦點(diǎn)F之前先經(jīng)過圓弧折光面的折射，由于圓弧對(duì)光的發(fā)散作用，對(duì)經(jīng)過圓弧折光 面的光束造成一定程度的發(fā)散，即光線與聚光器對(duì)稱軸之間的夾角減小了，更有利于光束 向后續(xù)接收器件（比如光纖）的傳輸。
[0015] 為了不干擾入射平行光束順利到達(dá)圓柱反射體側(cè)面，圓弧折光面不能阻擋所有入 射平行光束經(jīng)過拋物面聚光體第一次反射后的傳播路徑；在所有入射平行光束經(jīng)過拋物面 聚光體反射后的第一次反射后的傳播路徑中，最內(nèi)部入射光線第一次反射后的傳播路徑位 置最低，即拋物面聚光體最低端B點(diǎn)上反射到圓柱反射體右側(cè)面的光線（對(duì)應(yīng)于入射光束 中的光線b)。因此，圓弧折光面的最高位置位于所有入射平行光束經(jīng)過拋物面聚光體第一 次反射后的傳播路徑下方，即圓弧折光面的最高位置只能在經(jīng)拋物面聚光體反射的平行光 束中最內(nèi)部入射光線第一次反射后的傳播路徑（對(duì)應(yīng)圖7中線段BP)的下方，圓弧折光面 最高位置最多只能與上述光線傳播路徑相切，而不能相交。同時(shí)，為了保證圓弧折光面對(duì) 前方來(lái)的光線的折射，是使折射后的光線與聚光器對(duì)稱軸夾角減小，則圓弧折光面的圓心 必須設(shè)置在焦點(diǎn)F的上方。
[0016] 在此基礎(chǔ)上，入射到本發(fā)明的一種光能全反射聚光器的全部平行光束中，大部分 (即光線a和光線b之間的那部分光線）經(jīng)過拋物面聚光體和圓柱反射體全反射，另一部分 (即光線b到對(duì)稱軸之間的那部分光線），也就是在圓柱反射體直徑范圍內(nèi)的平行入射光束 則直接射入圓弧折光面，這一部分光束在經(jīng)過圓弧折光面時(shí)，大部分的平行光束在圓弧折 光面下方形成分散的光束，其中的一部分也能夠被接收器接收；另一小部分光線由于入射 角滿足全反射條件，光從圓弧折光面全反射而不進(jìn)入圓弧折光面下方，但這部分光線較為 稀少。
[0017] 同時(shí)，該一種光能全反射聚光器由一整塊透光材料制成，該一種光能全反射聚光 器為一個(gè)整體，便于整體成型，光線在本發(fā)明的一種光能全反射聚光器中的傳輸均為在同 一介質(zhì)中傳輸，利用光在透明實(shí)體內(nèi)傳播，在實(shí)體表面發(fā)生全反射的原理進(jìn)行聚光。
[0018] 因此，本發(fā)明的一種光能全反射聚光器能夠?qū)⒃趻佄锩婢酃怏w范圍內(nèi)的平行入射 光束經(jīng)過2次全反射，將幾乎全部平行光束聚集于該聚光器的下方，實(shí)現(xiàn)了對(duì)平行光束進(jìn) 行匯聚并傳輸?shù)男ЧＭ瑫r(shí)，下述的設(shè)計(jì)可確保每一個(gè)反射點(diǎn)滿足全反射要求，沒有反射損 耗。
[0019] 進(jìn)一步地，圓弧折光面的弧度為0~π，圓心的位置根據(jù)圓弧折光面弧度的不同 而改變，調(diào)整圓弧折光面弧度，其圓心的位置也相應(yīng)改變。
[0020] 進(jìn)一步地，圓弧折光面的寬度d滿足d>0且d< 1，其中1為圓柱反射體的直徑。
[0021] 進(jìn)一步地，一種光能全反射聚光器所用材料折射率η大于圓弧折光面下方介質(zhì)的 折射率η'，即一種光能全反射聚光器所用材料折射率η大于周圍空氣介質(zhì)的折射率η'。
[0022] 進(jìn)一步地，所述的拋物面聚光體的形狀根據(jù)以下關(guān)系獲得：
[0024] 其中，ρ為拋物面聚光體軸截面形成的拋物線的焦參數(shù)，1為圓柱反射體的直徑，k 為參數(shù)；
[0025] 參數(shù)k的取值滿足以下關(guān)系：
[0027] 其中，η為所述透光材料的折射率。
[0028] 設(shè)拋物面聚光體軸截面形成的拋物線方程為：x2= 2py或
拋物 線方程必須同時(shí)滿足平行光束與拋物線之間形成的入射角Θ滿足