tracepro CPC学习笔记.doc

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：，E-mail： 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 ，E-mail： *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= 2Hk21y 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 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）。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_+ow