traceproCPC学习笔记10774.docx

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1、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。 ;|pw;- JVR,Py:%G 转载请注明作者:shogun,E-mail:charmingglass008 OE=.Ry #j4RX:T* 同时,搭贴求两本书的电子版:Nonimaging Optics、High Collection Nonimaging Optics wy) 以下是正文: U?6eZ S!h=HE E9 k5 CPC学习笔记 XxrGc 9QHV% p4vX3?&1W shogun,E-mail:charminggla

2、ss008 *Zq yQn7 Oq uZa)N-=b2 1.1什么是CPC(Compound Parabolic Concetrator) g$B4_sY CPC全名为复合抛物面聚光器。CPC及其多种变型广泛应用于太阳能系统中。CPC将光能量采集到焦平面,焦平面的吸收体吸收光能并转化为可储存的热能、电能等。 B/I1/#I9/ 7AL$TY 如图1.1,抛物线的极坐标方程为: lJt?0;gn =2f/(1+cos (1.1) Jk57| )/ 则抛物面的半口径R为: l:*.0Tj R=sin (1.2) 4A)_D(SH 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

3、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。 ,8o Y(h 6L3i 仔细分析,我们可以发现: hbm #H7Y AC+CF=BD+DF (1.3) D6,#Pw A、B为平行光束与平行光束垂直面m的交点。 aX? tnDv 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。 D&1(qi=x& 在图1.1中,假设f=8mm,=135,则Rsin=38.6mm。 4jW *jM 1.3边缘光线原理(Edge-Ray Principle) =nv/ r 对聚光器经常采用边缘光线

4、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。 P?+ VR=t 1.3.1聚光比(Concentration Ratio) $Y8iTnP 对于一个聚光器,我们定义聚光比为: _7 :1i:. CAentry/Aexit (1.4) -;CvR 1.3.2接收角(Acceptance Angle) szp.CMz 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max。 7,Y+FZ R,8T t!n Rg3g:TV9c 1.3.3拉线法(String Method)分析

5、抛物线轨迹 3|D.r-Q 如图1.2,将一根圆杆(rod)与水平面成max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。 9r (/=f %- Ga *!yAz 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。 Rn*)D9 bjq.nn= 2Hk2

6、1y 1.4抛物面的倾斜(Tilt of Parabolic) czKF/Sg 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。 r(d 下面我们对旋转前后的参数进行一些计算。 H-eHX3c7 JO62=J coW-K ZFK:|Ju 如图1.4,简单地,可以得到: I(bV!mj: Jd*r(2d

7、R=2fl/(1-cos (1.6) Rpj!Ia r=Rsin(-max)-a (1.7) /-4jF: z=Rcos(-max) (1.8) k&npC8oA fl=a(1+sinmax) (1.9) sAnb w17CZa 6 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max。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

8、)。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。 Tt.S!? i/ PL!oq /h3Rk - G=Q1 1 1.5tracepro中CPC的建立与模拟 R: #OH.c 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= |cos|=R=38.6mm。此CPC的出光面(exit aperture)为焦平面,所以back length为0。 /x 5cC t_+owiF)M 旋转后的CPC如图1.6: V7B%o:FZo #l1 对旋转前后的CPC进行模拟: qRq4PQ g2Y5m$ L1& 3a?pL XdN1/_ 2iC BF-, 若max,光束将被系统反射出去。如图1.9: 5UX-Qqr %BQ?DTtb7

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