CPC学习笔记rlg.docx

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1、CPC学习笔记shogun，E-mail：charmingglass0081.1什么是CPC（Compound Parabolic Concetrator）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。1.2抛物线方程（Parabolic Function）如图1.1，抛物线的极坐标方程为：=2f/(1+cos （1.1）则抛物面的半口径R为：R=sin （1.2）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

2、面的这个特性使它被广泛应用在各种照明系统中。仔细分析，我们可以发现：AC+CF=BD+DF （1.3）A、B为平行光束与平行光束垂直面m的交点。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。在图1.1中，假设f=8mm，=135，则Rsin=38.6mm。1.3边缘光线原理（Edge-Ray Principle） 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。1.3.1聚光比（Concentration Ratio）对于一个聚光器，我们定义聚光比

3、为：CAentry/Aexit （1.4）Aentry为入射光束的截面积，Aexit 为出射光束的截面积；C越大，聚光效果越好。读者可以自行计算图1.2中聚光器的C值。（见式1.5）1.3.2接收角（Acceptance Angle）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。1.3.3拉线法（String Method）分析抛物线轨迹如图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

4、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。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。1.4抛物面的倾斜（Tilt of Parabolic）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（compou

5、nd）”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。不同形态的CPC可由抛物线经旋转（tilt）得到。如图1.3，虚线1、2是未经旋转的抛物线（Original Parabolic），两者的光轴本来是水平的。反射镜1的光轴Axis1绕自己的焦点f1旋转了20，反射镜1也跟着旋转了20，到1的位置。抛物线2也经过的同样的旋转，只是方向相反。经过旋转，可以获得我们需要的接收角。大于接收角的光线将会被系统反射出去，无法到达吸收面（exit aperture）（见图1.9）。事实上，由式（1.5）可知，减少接收角也就增大了集光率C：C=1/sinmax

6、（1.5）下面我们对旋转前后的参数进行一些计算。如图1.4，简单地，可以得到：R=2fl/(1-cos （1.6）r=Rsin(-max)-a （1.7）z=Rcos(-max) （1.8）fl=a(1+sinmax) （1.9）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）。

7、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。1.5tracepro中CPC的建立与模拟见图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。旋转后的CPC如图1.6：对旋转前后的CPC进行模拟：若max，光束将被系统反射出去。如图1.9：