基于非成像原理设计的太阳能聚光镜

　　0　引言

　　面对化石燃料的逐渐枯竭和人类生态环境的日益恶化,人类在能源供给和使用方面必须走可持续发展的道路,减少污染,逐渐改变能源消费结构,因此大力开发利用以太阳能为代表的可再生能源,在世界范围内已逐步达成共识.

　　地球表面的太阳辐射能的总量尽管很大,但能流密度却很低.因此,想要达到一定的辐射功率,可以采取两种可行方法:一是增大采光面积,二是提高聚光倍数.鉴于前者将占用较大的面积,因此采用聚光方式的太阳能利用逐渐成为一种重要的途径.纵观太阳能利用的发展历程,代表性的器件主要有球面抛物面反射镜,拱形线聚焦透镜,复合抛物面聚光器,菲涅尔聚焦镜等,普遍存在的问题是聚光比较小,接收角小,需要跟踪装置,元件笨重,不易生产和维护,性价比低等[1].

　　针对以上问题,本文采用非成像光学进行太阳能聚光镜的设计,特点是聚光比较高,可相对减小装置成本,并且元件易于集成封装.基本思想是首先对非成像聚光镜设计原理进行剖析,其次运用边缘光线原理及SMS (Simultaneous Multiple Surface,SMS)方法进行聚光镜的设计,所用镜面表示符号为:折射(Refraction,R),反射(Reflection,X),设计的聚光镜类型为折射型(RR)和折反射型(RX)两种,优点是元件在接收半角内可以同时实现静态接收和聚光两种作用,并且可以根据应用场合的不同而选取不同类型的聚光镜.

　　1　非成像原理

　　1.1　非成像原理

　　与传统成像光学不同,非成像光学没有致力于如何消像差和提高传递函数,而是将自由度应用到了如何保证能量总体传递效率和控制像面能量均匀度方面.因此非成像系统的像差一般很大.非成像系统与成像系统相比,最大的区别是可以在保证总体传递率的前提下实现较大的入射角和出射角.

　　光学扩展不变量( tendue)是非成像光学中一个常用的概念,记为E.任何光学系统都具有自身的光学扩展不变量,在系统中是一个与口径和角度有关的量.文中定义Mi为入射光束,Mo为出射光束,E(Mi)和E(Mo)分别表示入射光束和出射光束的扩展不变量,理想情况时有:Mi=Mo,E(Mi)=E(Mo),从而达到光束的完全耦合[2],光束耦合即所有入射光线最终均成为出射光线,为增加设计自由度,可简化为所有的入射边缘光线经过系统后均成为所有的出射边缘光线,即非成像光学中常用的边缘光线原理,边缘光线原理叙述为:对于一个光学系统,通过入射口径边缘的光线也是通过出射口径边缘的光线.即保证了入射光线即全部出射光线,能量传递率理论上可达到100%[3].

　　1.2　聚光比的定义

　　聚光比是评价聚光镜的最重要的一个参量,通常所说的是几何聚光比.文中聚光镜所涉及的参量含义如下:a,a1分别表示聚光系统第一个表面的入射半径和电池的接收半径,α,α1分别表示入射半角和电池接收半角,n1表示聚光镜所用材料的折射率,h表示非成像聚光镜沿光轴方向的总体厚度.当聚光镜接收半角为α,出射半角为α1时,为保证入射与出射方光学扩展不变量相等有