一种碟式太阳能聚光镜的制备方法与流程

1.本发明涉及太阳能聚光技术领域，尤其是涉及一种碟式太阳能聚光镜的制备方法。


背景技术：

2.目前，碟式太阳能聚光镜主要应用在碟式光热发电技术中。碟式光热发电技术的基本原理，就是将阳光聚焦起来作为热源，直接驱动斯特林发动机做功发电。为了保证斯特林发动机的热效率，热源的温度必须达到上千度，这对碟式太阳能聚光镜的聚光精度提出了很高的要求；为了达到这么高的聚光要求，现在的碟式太阳能聚光镜都采用了加工精度很高的抛物面反光镜。
3.如果应用场景并不需要那么高的点聚焦精度和加热温度，而是将阳光大致地聚集到指定区域内就行了(比如实用新型专利《分布式太阳能蓄热装置》，专利号2018102799515)，那么现有的碟式太阳能聚光镜在经济上就不可行了，因为它有两个缺点：(1)高精度的抛物面反光镜，制造成本很高，最终会导致整套系统的成本难以下降，这也是碟式光热发电技术迟迟得不到大规模商用的原因之一；(2)斯特林发动机一般安装在抛物面反光镜的焦点处，相对于太阳跟踪机构的支撑点的力矩很大，使得太阳跟踪机构的功率和能耗都很大，最终增加了制造成本、降低了经济效益。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种方法，可设计出一种结构简洁、造价低廉的碟式太阳能聚光镜，适用于无需高精度点聚焦、只需将阳光大致地聚集到指定区域内即可的应用场景。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种碟式太阳能聚光镜的制备方法：
7.所述聚光镜由一次反光镜1和二次反光镜2组成；一次反光镜1上安装了若干个由平面镜切割而成的小镜片5，将入射光线12反射到二次反光镜2上；二次反光镜2位于一次反射镜1的上方且由整块反光镜切割而成，将一次反光镜1反射过来的入射光线12再次反射到蓄热容器17的内部；
8.所述一次反光镜1是一个空心的环形结构，该环形结构的边缘是外环14和内环15；外环14与内环15之间铺设的是小镜片5；内环15的内部放置蓄热容器17；
9.所述内环15所在的平面是一次镜基准面16；所述二次反光镜2的边缘轮廓所在的平面是二次镜基准面6；二次镜基准面6平行于一次镜基准面16；
10.将内环15的圆心与二次反光镜2的边缘轮廓的圆心连接起来，得到的直线是中心连线8；中心连线8垂直于一次镜基准面16；
11.将蓄热容器17的保温玻璃窗25上最接近二次反光镜2的表面选作集光区域7，如果入射光线12能够被一次反光镜1和二次反光镜2反射到集光区域7，就必定能进入蓄热容器
17的内部；
12.所述制备方法包括以下步骤：
13.(1)根据实际应用场景和客户的需求，作出符合所述设计目标的聚光镜的立体图；
14.(2)选用光学仿真软件对聚光镜的立体图进行光学仿真，验证一次反射光线和二次反射光线的光路是否符合设计要求；
15.(3)根据聚光镜的立体图制备聚光镜；
16.(4)利用激光器对聚光镜进行聚光测试，如果激光器发出的光束没有被反射到集光区域7，则返回步骤(1)修改聚光镜的立体图；要保证入射光线12在一次反光镜1和二次反光镜2的反射下能进入集光区域7，并且不会被蓄热容器17的外壳挡住；
17.所述步骤(1)包括以下步骤：
18.(1-1)在xy平面图上作出一次反光镜1的剖面图；
19.(1-2)以中心连线8为轴，将一次反光镜1的剖面图旋转一周，生成一次反光镜1的立体图；
20.(1-3)在一次反光镜1的立体图上作出小镜片5的安装位置；
21.(1-4)作出二次反光镜2的立体图；二次反光镜1的立体图与一次反光镜1的立体图共同构成聚光镜的立体图；
22.所述步骤(1-1)包括以下步骤：
23.step1，根据实际应用场景和客户的需求，选定聚光镜的设计参数：
24.f：一次反光镜1的半径f；
25.r：当二次反光镜2为球面镜时，二次反光镜2的球面半径；
26.h：一次镜基准面16与二次镜基准面6之间的距离；
27.h：集光区域7与一次镜基准面16之间的距离；
28.d：二次反光镜2的边缘轮廓的半径；
29.d：集光区域7的边缘轮廓的半径；
30.step 2，在xy平面图上作蓄热容器17的外壳的剖面轮廓线34；
31.step 3，在xy平面图上作一条线段l
d
33代表集光区域7；线段l
d
33的函数为：y＝h,x∈(d-d,d d)，中点坐标为：(d,h)；
32.step 4，在xy平面图上作一条线段l
d
35代表二次反光镜2的剖面轮廓在x轴方向上的投影；线段l
d
35的函数为：y＝h,x∈(0,2d)，中点坐标为：(d,h)；
33.step 5，过线段l
d
35的两个端点作二次反光镜的剖面轮廓线的曲线函数s
d
；
34.如果二次反光镜是平面镜，曲线函数s
d
51为：y＝h,x∈(0,2d)；
35.如果二次反光镜是球形凸面镜，曲线函数s
d
52为：52为：
36.如果二次反光镜是球形凹面镜，曲线函数s
d
53为：53为：
37.step 6，过线段l
d
33与线段l
d
35的中点作中心连线8；中心连线8的函数为：x＝d；
38.step 7，选取点(x1,y1)37，取值范围是：x1≥2d，y1＝0；过点(x1,y1)37作一条斜率
为k1、长度为l1的线段l136，该线段代表小镜片5的剖面；线段l136的函数为：y＝k1(x-x1) y1,x∈(x1,x1 l1cos(tan-1
(k1)))；
39.step 8，过线段l136的起点(x1,y1)37作入射光线p038；入射光线p038的函数为：x＝x1；
40.step 9，过线段l136的终点作入射光线t039；入射光线t039的函数为：x＝x1 l1cos(tan-1
(k1))；
41.step 10，将线段l136视为平面反光镜的剖面，按照光学反射定律计算出入射光线p038的一次反射光线p140；一次反射光线p140的斜率为：k
p1
＝tan(π/2 2tan-1
(k1))，函数为：y＝tan(π/2 2tan-1
(k1))(x-x1) y1,x∈(-∞,x1)；
42.step 11，将线段l136视为平面反光镜的剖面，按照光学反射定律计算出入射光线t039的一次反射光线t141；一次反射光线t141的斜率为：k
t1
＝tan(π/2 2tan-1
(k1))，函数为：y＝tan(π/2 2tan-1
(k1))(x-x
1-l1cos(tan-1
k1)) k1l1cos(tan-1
(k1)) y1,x∈(-∞,x1 cos(tan-1
k1))；
43.step 12，计算一次反射光线p140与剖面曲线s
d
的交点(x2,y2)42；
44.step 13，计算一次反射光线t141与剖面曲线s
d
的交点(x3,y3)43；
45.step 14，过点(x2,y2)42作出一次反射光线p140在剖面曲线s
d
上的二次反射光线p244；
46.如果所述二次反光镜是平面镜，则所述二次反射光线p244的斜率为：k
p1
＝tan(π-tan-1
(k1))，函数为：y＝tan(π-tan-1
(k1))
×
(x-x2) y2,x∈(-∞,x2)；
47.如果所述二次反光镜是球形凸面镜，则所述二次反射光线p244的斜率为：k
p2
＝tan(tan-1
k
p1-2θ1)，函数为：y＝tan(tan-1
k
p1-2θ1)(x-x2) y2,x∈(-∞,x2)，其中θ1＝tan-1
|(k
m1-k
p1
)/(1 k
m1
k
p1
)|，)|，
48.如果所述二次反光镜是球形凹面镜，则所述二次反射光线p244的斜率为：k
p2
＝tan(tan-1
k
p1-2θ1)，函数为：y＝tan(tan-1
k
p1-2θ1)(x-x2) y2,x∈(-∞,x2)，其中θ1＝tan-1
|(k
m1-k
p1
)/(1 k
m1
k
p1
)|，)|，
49.step 15，过点(x3,y3)43作出一次反射光线t141在剖面曲线s
d
上的二次反射光线t245；
50.如果所述二次反光镜是平面镜，则所述二次反光光线t245的斜率为：k
t1
＝tan(π-tan-1
(k1))，函数为：y＝tan(π-tan-1
(k1))
×
(x-x3) y3,x∈(-∞,x3)；
51.如果所述二次反光镜是球形凸面镜，则所述二次反光光线t245的斜率为：k
t2
＝tan(tan-1
k
t1-2θ2)，函数为：y＝tan(tan-1
k
t1-2θ2)(x-x3) y3,x∈(-∞,x3)，其中θ2＝tan-1
|(k
m2-k
t1
)/(1 k
m2
k
t1
)|，)|，
52.如果所述二次反光镜是球形凹面镜，则所述二次反光光线t245的斜率为：k
t2
＝tan(tan-1
k
t1-2θ2)，函数为：y＝tan(tan-1
k
t1-2θ2)(x-x3) y3,x∈(-∞,x3)，其中θ2＝tan-1
|(k
m2-k
t1
)/(1 k
m2
k
t1
)|，)|，
53.step 16，计算二次反射光线p244与线段l
d
33的交点；如果二次反射光线p244与线
段l
d
33相交于合适位置并且不与蓄热容器17的外壳的边缘轮廓线34相交，就执行下一步骤step17；否则改变线段l136的斜率k1与长度l1，并重复执行step7至step15的所有步骤，直至二次反射光线p244与线段l
d
33相交于合适位置并且不与蓄热容器17的外壳的边缘轮廓线34相交；
54.step 17，计算二次反射光线t245与线段l
d
33的交点；如果二次反射光线t245与线段l
d
33相交于合适位置并且不与蓄热容器17的外壳的边缘轮廓线34相交，就执行下一步骤step18；否则改变线段l136的斜率k1与长度l1，并重复执行step7至step16的所有步骤，直至二次反射光线t245与线段l
d
33相交于合适位置并且不与蓄热容器17的外壳的边缘轮廓线34相交；
55.step 18，选择线段l136的终点作为起点，作一条斜率为k2、长度为l2的线段l246；重复执行step7至step17的步骤，直至入射光线被线段l246和二次反光镜的剖面曲线s
d
反射得到的二次反射光线都与线段l
d
33相交于合适位置；
56.step 19，重复执行step7至step18的步骤，直至一次反光镜1的剖面线段47与中心连线8的最大距离等于一次反光镜1的半径f；
57.step 20，调整一次反光镜1的所有剖面线段47的斜率k1和长度l1，重复执行step6至step19的步骤，直至所有二次反射光线都与线段l
d
33相交于合适位置。
58.优选的，所述步骤(4)包括以下步骤：
59.(3-1)调节激光器的角度和方向，使得激光器发出的光束平行于入射光线p038并且打在一次反光镜1的小镜片5上；
60.(3-2)如果激光器发出的光束经过一次反光镜1和二次反光镜2的反射之后，落在线段l
d
33代表的集光区域7内，则改变激光器的位置，使得激光器发出的光束平行于入射光线p038并且打在一次反光镜1的另一块小镜片5上，并重复以上测试步骤；否则返回执行步骤(1)、修改聚光镜的立体图，直至所有小镜片5都能将激光器发出的光束反射到集光区域7内为止。
61.本发明的有益效果是：
62.本发明可应用在如附图3所示的分布式太阳能蓄热装置(《分布式太阳能蓄热装置》，专利号2018102799515)，功能是将阳光聚集到蓄热容器17的内部、将蓄热容器17内部的蓄热介质加热到200摄氏度以上；
63.如附图1、2所示，该碟式太阳能聚光镜由一次反光镜1和二次反光镜2组成；一次反光镜1上安装了若干个由平面镜切割而成的小镜片5，可将入射光线12反射到二次反光镜2上；二次反光镜2由整块反光镜切割而成，可将一次反光镜1反射过来的入射光线再次反射到蓄热容器17的内部。
64.该碟式太阳能聚光镜的设计理念是：
65.(1)充分利用应用场景对聚光精度要求不高的特点，采用小块平面镜拼接的方式来制作一次反光镜1，取代了必须依靠机械模具和打磨工艺才能制作的抛物面反光镜；
66.(2)优先选用塑料来制作一次反光镜1的小镜片支撑件4；
67.(3)利用二次反光镜2将集光区域7从一次反光镜1的焦点位置转移到一次反光镜1的中心位置附近，降低了整个聚光镜相对于俯仰转动轴的力矩；
68.(4)在平面镜、球形凸面镜和球形凹面镜三者之间，优先选择平面镜来制作二次反
光镜2。
69.得益于上述设计理念，整个聚光镜的成本被削减到200元以内，远远低于传统抛物面反光镜的成本，经济效益非常显著。
70.不过，跟传统的抛物线聚光镜相比，该碟式太阳能聚光镜的聚光要求有了很大的变化。传统的抛物线聚光镜的聚光要求是：点聚焦，“聚光比”越高越好；但是该碟式太阳能聚光镜的聚光要求主要有以下几点：
71.(1)面聚焦，只要将阳光聚集到指定范围内就行了，对“聚光比”没有任何要求；
72.(2)不能让蓄热容器17的外壳挡住阳光；
73.(3)为了降低阳光在玻璃表面的反射损耗，尽量让阳光接近垂直入射；
74.(4)在保证所有入射光线都被聚集到集光区域7的前提下，尽量减小二次反光镜2的投影尺寸。
75.由于聚光要求发生了变化，所以在设计一次反光镜1的剖面线段47时，采用“在抛物线上划分线段”的方法无法获取得最优化的聚光效果，必须采用本发明介绍的新方法。
76.本发明的思路是：先在xy平面图上作出一次反光镜1的剖面图，用剖面线段47来代替小镜片5的剖面；分别对剖面线段47的每个线段进行斜率和长度的调整，直至所有光路都满足前述的聚光要求为止；再以一次反光镜1与二次反光镜2的中心连线8为轴，将一次反光镜1的剖面图旋转一周以生成一次反光镜1的立体图；接着在一次反光镜1的立体图上作出小镜片5的安装位置；然后用用光学仿真软件lighttools对整个聚光镜进行光学仿真，验证所有光路是否符合设计要求；最后把立体图制作成实物，用激光器对实物进行聚光测试。
附图说明
77.附图1是碟式太阳能聚光镜的外观图。图中的标记为：1-一次反光镜；2-二次反光镜；3-一次反光镜组件；4-小镜片支撑件；5-小镜片；13-支撑杆；14-外环；15-内环。
78.附图2是碟式太阳能聚光镜的剖面图。图中的标记为：1-一次反光镜；2-二次反光镜；6-二次镜基准面面；7-集光区域；8-中心连线；9-集光平面；11-剖面线段；12-入射光线；13-支撑杆；14-外环；15-内环；16-一次镜基准面。
79.附图3是分布式太阳能蓄热装置的整机图。图中的标记为：1-一次反光镜；2-二次反光镜；7-集光区域；10-集光圆；13-二次反光镜支撑杆；17-蓄热容器；18-蓄热容器支撑臂；19-俯仰转动云台；20-俯仰转动电机；21-云台支撑脚；22-滚轮组件；23-水平转动轨道；24-水平转动电机。
80.附图4是蓄热容器的剖面图。图中的标记为：25-保温玻璃窗；26-光热转化器；27-蓄热容器罐体；28-外壳；29-轴承；30-旋转接头；31-油仓；32-保温材料。
81.附图5是本发明的实施例图一。图中的标记为：8-中心连线l
m
；33-线段l
d
；34-蓄热容器的外壳剖面；35-线段l
d
；36-线段l1；37-线段l1的起点(x1,y1)；38-入射光线p0；39-入射光线t0；40-一次反射光线p1；41-一次反射光线t1；42-交点(x2,y2)；43-交点(x3,y3)；44-二次反射光线p2；45-二次反射光线t2；46-线段l2；47-剖面线段；51-剖面曲线s
d
。
82.附图6是本发明的实施例图二。图中的标记为：8-中心连线l
m
；33-线段l
d
；34-蓄热容器的外壳剖面；35-线段l
d
；36-线段l1；37-线段l1的起点(x1,y1)；38-入射光线p0；39-入射光线t0；40-一次反射光线p1；41-一次反射光线t1；42-交点(x2,y2)；43-交点(x3,y3)；44-二
次反射光线p2；45-二次反射光线t2；46-线段l2；47-剖面线段；48-二次反光镜的球心；49-法线m1；50-法线m2；52-剖面曲线s
d
；
83.附图7是本发明的实施例图三。图中的标记为：8-中心连线l
m
；33-线段l
d
；34-蓄热容器的外壳剖面；35-线段l
d
；36-线段l1；37-线段l1的起点(x1,y1)；38-入射光线p0；39-入射光线t0；40-一次反射光线p1；41-一次反射光线t1；42-交点(x2,y2)；43-交点(x3,y3)；44-二次反射光线p2；45-二次反射光线t2；46-线段l2；47-剖面线段；48-二次反光镜的球心；49-法线m1；50-法线m2；53-剖面曲线s
d
。
84.附图8是一次反光镜的三维图一。图中的标记为：8-中心连线l
m
。
85.附图9是一次反光镜的三维图二。图中的标记为：5-小镜片。
具体实施方式
86.下面结合附图1-9，对本发明进行具体描述。
87.根据本发明制备而成的碟式太阳能聚光镜，其具体应用实例是一种全新的产品：分布式太阳能蓄热装置(专利名称：《分布式太阳能蓄热装置》，专利号：2018204520155)，如附图1-4所示：
88.如附图3所示，分布式太阳能蓄热装置主要由碟式太阳能聚光镜、蓄热容器17、蓄热容器支撑臂18、俯仰转动云台19、俯仰转动电机20、云台支撑脚21、滚轮组件22、水平转动轨道23、水平转动电机24组成；
89.如附图1所示，碟式太阳能聚光镜由一次反光镜1、二次反光镜2、二次反光镜支撑杆13组成；一次反光镜1由6个一次反光镜组件3连接而成，形成一个朝向入射光线的向阳面；一次反光镜组件3包括小镜片5和小镜片支撑件4，由若干个小镜片5和一个小镜片支撑件4连接而成；小镜片5由平面镜切割而成，安装在小镜片支撑件4的向阳面上，形成一次反光镜1的反射面，可将入射光线12反射到二次反光镜2上；二次反光镜2的反射面与一次反光镜1的反射面相对，可将一次反光镜1反射过来的入射光线12反射到集光区域7内；
90.集光区域7指的是蓄热容器17的保温玻璃窗25上最接近二次反光镜2的表面，如果入射光线12能够被一次反光镜1和二次反光镜2反射到集光区域7，就必定能进入蓄热容器17的内部；
91.如附图3所示，一次反光镜1通过连接件固定在蓄热容器17上，二次反光镜2通过二次反光镜支撑杆13连接到蓄热容器17上；
92.如附图4所示，蓄热容器17由保温玻璃窗25、光热转化器26、蓄热容器罐体27、外壳28、旋转接头30和轴承29组成；光热转化器26安装在蓄热容器罐体27上，两者形成一个封闭的油仓31，油仓31内盛放导热油；保温玻璃窗25安装在光热转化器26上，其朝向入射光线的表面就是集光区域7；被碟式太阳能聚光镜聚集的入射光线12透过保温玻璃窗25照射到光热转化器26内部；蓄热容器罐体27与外壳28之间有比较大的空间，该空间内安装有保温材料32；
93.如附图3所示，蓄热容器17通过轴承29连接到蓄热容器支撑臂18上，蓄热容器支撑臂18固定在俯仰转动云台19上；碟式太阳能聚光镜与蓄热容器17作为一个整体在俯仰转动云台19上拥有俯仰转动的自由度，可在俯仰转动电机20及减速传动机构的作用下实现俯仰转动；
94.俯仰转动云台19通过支撑脚21连接到滚轮组件22上，滚轮组件22可在水平转动轨道23上进行水平转动；水平转动轨道23上设置有内齿轮，与水平转动电机24的外齿轮互相啮合；碟式太阳能聚光镜、蓄热容器17、蓄热容器支撑臂18、俯仰转动云台19、支撑脚21、滚轮组件22等设备作为一个整体拥有水平转动的自由度，可在水平转动电机24的驱动下在水平转动轨道23上进行水平转动。
95.该产品的工作流程为：
96.蓄热容器17上安装有九轴加速度陀螺仪角度传感器，可测量出碟式太阳能聚光镜的方位角；
97.单片机控制系统根据当地经纬度、日期和时间计算出太阳的方位角；
98.单片机控制系统根据碟式太阳能聚光镜方位角与太阳方位角的差值，驱动俯仰转动电机20和水平转动电机24，将该差值调节至误差允许范围内；
99.碟式太阳能聚光镜将阳光聚集到光热转化器26内部，把光热转化器26加热，光热转化器26再把油仓31内的导热油加热；
100.油31内的导热油在保温材料32的作用下，可实现长时间保温蓄热；
101.在油泵的作用下，油仓31内的导热油可以从旋转接头30中抽出，再通过换热器生成热水、蒸汽等。
102.根据本发明制备而成的碟式太阳能聚光镜，根据二次反光镜2的不同，有三种不同的结构，以下将分成3个实施例进行阐述。
103.实施例1
104.本实施例的二次反光镜2是平面镜，设计方法主要由六个步骤组成：(1)如图5所示，选用solidworks作为三维设计工具，利用solidworks的草图功能作出一次反光镜1的剖面图；(2)如图8所示，以一次反光镜1与二次反光镜2的中心连线8为轴，将一次反光镜1的剖面图旋转一周以生成一次反光镜1的立体图；(3)如图9所示，在一次反光镜1的立体图上作出小镜片5的安装位置；(4)选用光学仿真软件lighttools，对包括一次反光镜1和二次反光镜2在内的整个聚光镜进行光学仿真，验证一次反射光线和二次反射光线的光路是否符合设计要求；(5)将聚光镜的立体图制作成实物；(6)利用激光器对聚光镜的实物进行聚光测试。
105.步骤(1)由以下步骤组成：
106.step1，根据实际应用场景和客户的需求，选定聚光镜的设计参数：
107.f：一次反光镜1的半径f；
108.r：当二次反光镜2为球面镜时，二次反光镜2的球面半径；
109.h：一次镜基准面16与二次镜基准面6之间的距离；
110.h：集光区域7与一次镜基准面16之间的距离；
111.d：二次反光镜2的边缘轮廓的半径；
112.d：集光区域7的边缘轮廓的半径；
113.step 2，在solidworks的草图上作蓄热容器17的外壳的剖面轮廓线34；
114.step 3，在solidworks的草图上作一条线段l
d
33代表集光区域7；线段l
d
33的函数为：y＝h,x∈(d-d,d d)，中点坐标为：(d,h)；
115.step 4，在solidworks的草图上作一条线段l
d
35代表二次反光镜2的剖面轮廓在x
轴方向上的投影；线段l
d
35的函数为：y＝h,x∈(0,2d)，中点坐标为：(d,h)；
116.step 5，过线段l
d
35的两个端点作二次反光镜的剖面轮廓线的曲线函数s
d
51；曲线函数s
d
51为：y＝h,x∈(0,2d)；
117.step 6，过线段l
d
33与线段l
d
35的中点作中心连线8；中心连线8的函数为：x＝d；
118.step 7，选取点(x1,y1)37，取值范围是：x1≥2d，y1＝0；过点(x1,y1)37作一条斜率为k1、长度为l1的线段l136，该线段代表小镜片5的剖面；线段l136的函数为：y＝k1(x-x1) y1,x∈(x1,x1 l1cos(tan-1
(k1)))；
119.step 8，过线段l136的起点(x1,y1)37作入射光线p038；入射光线p038的函数为：x＝x1；
120.step 9，过线段l136的终点作入射光线t039；入射光线t039的函数为：x＝x1 l1cos(tan-1
(k1))；
121.step 10，将线段l136视为平面反光镜的剖面，按照光学反射定律计算出入射光线p038的一次反射光线p140；一次反射光线p140的斜率为：k
p1
＝tan(π/2 2tan-1
(k1))，函数为：y＝tan(π/2 2tan-1
(k1))(x-x1) y1,x∈(-∞,x1)；
122.step 11，将线段l136视为平面反光镜的剖面，按照光学反射定律计算出入射光线t039的一次反射光线t141；一次反射光线t141的斜率为：k
t1
＝tan(π/2 2tan-1
(k1))，函数为：y＝tan(π/2 2tan-1
(k1))(x-x
1-l1cos(tan-1
k1)) k1l1cos(tan-1
(k1)) y1,x∈(-∞,x1 cos(tan-1
k1))；
123.step 12，计算一次反射光线p140与剖面曲线s
d
的交点(x2,y2)42；
124.step 13，计算一次反射光线t141与剖面曲线s
d
的交点(x3,y3)43；
125.step 14，过点(x2,y2)42作出一次反射光线p140在剖面曲线s
d
51上的二次反射光线p244；二次反射光线p244的斜率为：k
p1
＝tan(π-tan-1
(k1))，函数为：y＝tan(π-tan-1
(k1))
×
(x-x2) y2,x∈(-∞,x2)；
126.step 15，过点(x3,y3)43作出一次反射光线t141在剖面曲线s
d
51上的二次反射光线t245；二次反光光线t245的斜率为：k
t1
＝tan(π-tan-1
(k1))，函数为：y＝tan(π-tan-1
(k1))
×
(x-x3) y3,x∈(-∞,x3)；
127.step 16，计算二次反射光线p244与线段l
d
33的交点；如果二次反射光线p244与线段l
d
33相交于合适位置并且不与蓄热容器17的外壳的边缘轮廓线34相交，就执行下一步骤step17；否则改变线段l136的斜率k1与长度l1，并重复执行step7至step15的所有步骤，直至二次反射光线p244与线段l
d
33相交于合适位置并且不与蓄热容器17的外壳的边缘轮廓线34相交；
128.step 17，计算二次反射光线t245与线段l
d
33的交点；如果二次反射光线t245与线段l
d
33相交于合适位置并且不与蓄热容器17的外壳的边缘轮廓线34相交，就执行下一步骤step18；否则改变线段l136的斜率k1与长度l1，并重复执行step7至step16的所有步骤，直至二次反射光线t245与线段l
d
33相交于合适位置并且不与蓄热容器17的外壳的边缘轮廓线34相交；
129.step 18，选择线段l136的终点作为起点，作一条斜率为k2、长度为l2的线段l246；重复执行step7至step17的步骤，直至入射光线被线段l246和二次反光镜的剖面曲线s
d
反射得到的二次反射光线都与线段l
d
33相交于合适位置；
130.step 19，重复执行step7至step18的步骤，直至一次反光镜1的剖面线段47与中心连线8的最大距离等于一次反光镜1的半径f；
131.step 20，调整一次反光镜1的所有剖面线段47的斜率k1和长度l1，重复执行step6至step19的步骤，直至所有二次反射光线都与线段l
d
33相交于合适位置。
132.步骤(6)由以下步骤组成：
133.(6-1)调节激光器的角度和方向，使得激光器发出的光束平行于入射光线p036并且打在一次反光镜1的小镜片5上；
134.(6-2)如果激光器发出的光束经过一次反光镜1和二次反光镜2的反射之后，落在线段l
d
30代表的集光区域7内，则改变激光器的位置，使得激光器发出的光束平行于入射光线p036并且打在一次反光镜1的另一块小镜片5上，并重复以上测试步骤；如果不落在线段l
d
30代表的集光区域7内，则重新执行利用solidworks作出碟式太阳能聚光镜的立体图的步骤。
135.实施例2
136.本实施例的二次反光镜2是球形凸面镜，设计方法主要由六个步骤组成：(1)如图6所示，选用solidworks作为三维设计工具，利用solidworks的草图功能作出一次反光镜1的剖面图；(2)如图8所示，以一次反光镜1与二次反光镜2的中心连线8为轴，将一次反光镜1的剖面图旋转一周以生成一次反光镜1的立体图；(3)如图9所示，在一次反光镜1的立体图上作出小镜片5的安装位置；(4)选用光学仿真软件lighttools，对包括一次反光镜1和二次反光镜2在内的整个聚光镜进行光学仿真，验证一次反射光线和二次反射光线的光路是否符合设计要求；(5)将聚光镜的立体图制作成实物；(6)利用激光器对聚光镜的实物进行聚光测试。
137.步骤(1)由以下步骤组成：
138.step1，根据实际应用场景和客户的需求，选定聚光镜的设计参数：
139.f：一次反光镜1的半径f；
140.r：当二次反光镜2为球面镜时，二次反光镜2的球面半径；
141.h：一次镜基准面16与二次镜基准面6之间的距离；
142.h：集光区域7与一次镜基准面16之间的距离；
143.d：二次反光镜2的边缘轮廓的半径；
144.d：集光区域7的边缘轮廓的半径；
145.step 2，在solidworks的草图上作蓄热容器17的外壳的剖面轮廓线34；
146.step 3，在solidworks的草图上作一条线段l
d
33代表集光区域7；线段l
d
33的函数为：y＝h,x∈(d-d,d d)，中点坐标为：(d,h)；
147.step 4，在solidworks的草图上作一条线段l
d
35代表二次反光镜2的剖面轮廓在x轴方向上的投影；线段l
d
35的函数为：y＝h,x∈(0,2d)，中点坐标为：(d,h)；
148.step 5，过线段l
d
35的两个端点作二次反光镜的剖面轮廓线的曲线函数s
d
52；曲线函数s
d
52是：
149.step 6，过线段l
d
33与线段l
d
35的中点作中心连线8；中心连线8的函数为：x＝d；
150.step 7，选取点(x1,y1)37，取值范围是：x1≥2d，y1＝0；过点(x1,y1)37作一条斜率
为k1、长度为l1的线段l136，该线段代表小镜片5的剖面；线段l136的函数为：y＝k1(x-x1) y1,x∈(x1,x1 l1cos(tan-1
(k1)))；
151.step 8，过线段l136的起点(x1,y1)37作入射光线p038；入射光线p038的函数为：x＝x1；
152.step 9，过线段l136的终点作入射光线t039；入射光线t039的函数为：x＝x1 l1cos(tan-1
(k1))；
153.step 10，将线段l136视为平面反光镜的剖面，按照光学反射定律计算出入射光线p038的一次反射光线p140；一次反射光线p140的斜率为：k
p1
＝tan(π/2 2tan-1
(k1))，函数为：y＝tan(π/2 2tan-1
(k1))(x-x1) y1,x∈(-∞,x1)；
154.step 11，将线段l136视为平面反光镜的剖面，按照光学反射定律计算出入射光线t039的一次反射光线t141；一次反射光线t141的斜率为：k
t1
＝tan(π/2 2tan-1
(k1))，函数为：y＝tan(π/2 2tan-1
(k1))(x-x
1-l1cos(tan-1
k1)) k1l1cos(tan-1
(k1)) y1,x∈(-∞,x1 cos(tan-1
k1))；
155.step 12，计算一次反射光线p140与剖面曲线s
d
的交点(x2,y2)42；
156.step 13，计算一次反射光线t141与剖面曲线s
d
的交点(x3,y3)43；
157.step 14，过点(x2,y2)42作出一次反射光线p140在剖面曲线s
d
52上的二次反射光线p244；二次反射光线p2(44)的斜率为：k
p2
＝tan(tan-1
k
p1-2θ1)，函数为：y＝tan(tan-1
k
p1-2θ1)(x-x2) y2,x∈(-∞,x2)，其中θ1＝tan-1
|(k
m1-k
p1
)/(1 k
m1
k
p1
)|，
158.step 15，过点(x3,y3)43作出一次反射光线t141在剖面曲线s
d
上的二次反射光线t245；二次反光光线t2(45)的斜率为：k
t2
＝tan(tan-1
k
t1-2θ2)，函数为：y＝tan(tan-1
k
t1-2θ2)(x-x3) y3,x∈(-∞,x3)，其中θ2＝tan-1
|(k
m2-k
t1
)/(1 k
m2
k
t1
)|，
159.step 16，计算二次反射光线p244与线段l
d
33的交点；如果二次反射光线p244与线段l
d
33相交于合适位置并且不与蓄热容器17的外壳的边缘轮廓线34相交，就执行下一步骤step17；否则改变线段l136的斜率k1与长度l1，并重复执行step7至step15的所有步骤，直至二次反射光线p244与线段l
d
33相交于合适位置并且不与蓄热容器17的外壳的边缘轮廓线34相交；
160.step 17，计算二次反射光线t245与线段l
d
33的交点；如果二次反射光线t245与线段l
d
33相交于合适位置并且不与蓄热容器17的外壳的边缘轮廓线34相交，就执行下一步骤step18；否则改变线段l136的斜率k1与长度l1，并重复执行step7至step16的所有步骤，直至二次反射光线t245与线段l
d
33相交于合适位置并且不与蓄热容器17的外壳的边缘轮廓线34相交；
161.step 18，选择线段l136的终点作为起点，作一条斜率为k2、长度为l2的线段l246；重复执行step7至step17的步骤，直至入射光线被线段l246和二次反光镜的剖面曲线s
d
反射得到的二次反射光线都与线段l
d
33相交于合适位置；
162.step 19，重复执行step7至step18的步骤，直至一次反光镜1的剖面线段47与中心
连线8的最大距离等于一次反光镜1的半径f；
163.step 20，调整一次反光镜1的所有剖面线段47的斜率k1和长度l1，重复执行step6至step19的步骤，直至所有二次反射光线都与线段l
d
33相交于合适位置。
164.步骤(6)由以下步骤组成：
165.(6-1)调节激光器的角度和方向，使得激光器发出的光束平行于入射光线p036并且打在一次反光镜1的小镜片5上；
166.(6-2)如果激光器发出的光束经过一次反光镜1和二次反光镜2的反射之后，落在线段l
d
30代表的集光区域7内，则改变激光器的位置，使得激光器发出的光束平行于入射光线p036并且打在一次反光镜1的另一块小镜片5上，并重复以上测试步骤；如果不落在线段l
d
30代表的集光区域7内，则重新执行利用solidworks作出碟式太阳能聚光镜的立体图的步骤。
167.实施例3
168.本实施例的二次反光镜2是球形凹面镜，设计方法主要由六个步骤组成：(1)如图7所示，选用solidworks作为三维设计工具，利用solidworks的草图功能作出一次反光镜1的剖面图；(2)如图8所示，以一次反光镜1与二次反光镜2的中心连线8为轴，将一次反光镜1的剖面图旋转一周以生成一次反光镜1的立体图；(3)如图9所示，在一次反光镜1的立体图上作出小镜片5的安装位置；(4)选用光学仿真软件lighttools，对包括一次反光镜1和二次反光镜2在内的整个聚光镜进行光学仿真，验证一次反射光线和二次反射光线的光路是否符合设计要求；(5)将聚光镜的立体图制作成实物；(6)利用激光器对聚光镜的实物进行聚光测试。
169.步骤(1)由以下步骤组成：
170.step1，根据实际应用场景和客户的需求，选定聚光镜的设计参数：
171.f：一次反光镜1的半径f；
172.r：当二次反光镜2为球面镜时，二次反光镜2的球面半径；
173.h：一次镜基准面16与二次镜基准面6之间的距离；
174.h：集光区域7与一次镜基准面16之间的距离；
175.d：二次反光镜2的边缘轮廓的半径；
176.d：集光区域7的边缘轮廓的半径；
177.step 2，在solidworks的草图上作蓄热容器17的外壳的剖面轮廓线34；
178.step 3，在solidworks的草图上作一条线段l
d
33代表集光区域7；线段l
d
33的函数为：y＝h,x∈(d-d,d d)，中点坐标为：(d,h)；
179.step 4，在solidworks的草图上作一条线段l
d
35代表二次反光镜2的剖面轮廓在x轴方向上的投影；线段l
d
35的函数为：y＝h,x∈(0,2d)，中点坐标为：(d,h)；
180.step 5，过线段l
d
35的两个端点作二次反光镜的剖面轮廓线的曲线函数s
d
53；曲线函数s
d
53是：：
181.step 6，过线段l
d
33与线段l
d
35的中点作中心连线8；中心连线8的函数为：x＝d；
182.step 7，选取点(x1,y1)37，取值范围是：x1≥2d，y1＝0；过点(x1,y1)37作一条斜率为k1、长度为l1的线段l136，该线段代表小镜片5的剖面；线段l136的函数为：y＝k1(x-x1)
y1,x∈(x1,x1 l1cos(tan-1
(k1)))；
183.step 8，过线段l136的起点(x1,y1)37作入射光线p038；入射光线p038的函数为：x＝x1；
184.step 9，过线段l136的终点作入射光线t039；入射光线t039的函数为：x＝x1 l1cos(tan-1
(k1))；
185.step 10，将线段l136视为平面反光镜的剖面，按照光学反射定律计算出入射光线p038的一次反射光线p140；一次反射光线p140的斜率为：k
p1
＝tan(π/2 2tan-1
(k1))，函数为：y＝tan(π/2 2tan-1
(k1))(x-x1) y1,x∈(-∞,x1)；
186.step 11，将线段l136视为平面反光镜的剖面，按照光学反射定律计算出入射光线t039的一次反射光线t141；一次反射光线t141的斜率为：k
t1
＝tan(π/2 2tan-1
(k1))，函数为：y＝tan(π/2 2tan-1
(k1))(x-x
1-l1cos(tan-1
k1)) k1l1cos(tan-1
(k1)) y1,x∈(-∞,x1 cos(tan-1
k1))；
187.step 12，计算一次反射光线p140与剖面曲线s
d
的交点(x2,y2)42；
188.step 13，计算一次反射光线t141与剖面曲线s
d
的交点(x3,y3)43；
189.step 14，过点(x2,y2)42作出一次反射光线p140在剖面曲线s
d
53上的二次反射光线p244；二次反射光线p2(44)的斜率为：k
p2
＝tan(tan-1
k
p1-2θ1)，函数为：y＝tan(tan-1
k
p1-2θ1)(x-x2) y2,x∈(-∞,x2)，其中θ1＝tan-1
|(k
m1-k
p1
)/(1 k
m1
k
p1
)|，
190.step 15，过点(x3,y3)43作出一次反射光线t141在剖面曲线s
d
53上的二次反射光线t245；二次反光光线t2(45)的斜率为：k
t2
＝tan(tan-1
k
t1-2θ2)，函数为：y＝tan(tan-1
k
t1-2θ2)(x-x3) y3,x∈(-∞,x3)，其中θ2＝tan-1
|(k
m2-k
t1
)/(1 k
m2
k
t1
)|，
191.step 16，计算二次反射光线p244与线段l
d
33的交点；如果二次反射光线p244与线段l
d
33相交于合适位置并且不与蓄热容器17的外壳的边缘轮廓线34相交，就执行下一步骤step17；否则改变线段l136的斜率k1与长度l1，并重复执行step7至step15的所有步骤，直至二次反射光线p244与线段l
d
33相交于合适位置并且不与蓄热容器17的外壳的边缘轮廓线34相交；
192.step 17，计算二次反射光线t245与线段l
d
33的交点；如果二次反射光线t245与线段l
d
33相交于合适位置并且不与蓄热容器17的外壳的边缘轮廓线34相交，就执行下一步骤step18；否则改变线段l136的斜率k1与长度l1，并重复执行step7至step16的所有步骤，直至二次反射光线t245与线段l
d
33相交于合适位置并且不与蓄热容器17的外壳的边缘轮廓线34相交；
193.step 18，选择线段l136的终点作为起点，作一条斜率为k2、长度为l2的线段l246；重复执行step7至step17的步骤，直至入射光线被线段l246和二次反光镜的剖面曲线s
d
反射得到的二次反射光线都与线段l
d
33相交于合适位置；
194.step 19，重复执行step7至step18的步骤，直至一次反光镜1的剖面线段47与中心连线8的最大距离等于一次反光镜1的半径f；
195.step 20，调整一次反光镜1的所有剖面线段47的斜率k1和长度l1，重复执行step6至step19的步骤，直至所有二次反射光线都与线段l
d
33相交于合适位置。
196.步骤(6)由以下步骤组成：
197.(6-1)调节激光器的角度和方向，使得激光器发出的光束平行于入射光线p036并且打在一次反光镜1的小镜片5上；
198.(6-2)如果激光器发出的光束经过一次反光镜1和二次反光镜2的反射之后，落在线段l
d
30代表的集光区域7内，则改变激光器的位置，使得激光器发出的光束平行于入射光线p036并且打在一次反光镜1的另一块小镜片5上，并重复以上测试步骤；如果不落在线段l
d
30代表的集光区域7内，则重新执行利用solidworks作出碟式太阳能聚光镜的立体图的步骤。