tracepro CPC学习笔记

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@www.opticsky.cn，E-mail：charmingglass008@163.comOE=.@Ry" #j4RX:T*[ 同时，搭贴求两本书的电子版：《NonimagingOptics》、《HighCollectionNonimagingOptics》w\y) 以下是正文：@{U@?6eZ S!h=HE >E9k5 CPC学习笔记X​xr"Gc[ 9QHV%% p4vX3?&1W shogun@www.opticsky.cn，E-mail：charmingglass008@163.com@​\*Zq `\yQn7Oq uZa)N-=b2 §1.1什么是CPC（CompoundParabolicConcetrator）g}$B4_sY CPC全名为复合抛物面聚光器。CPC及其多种变型广泛应用于太阳能系统中。CPC将光能量采集到焦平面，焦平面的吸收体吸收光能并转化为可储存的热能、电能等。B/I1<%Yk WHcw5_3# §1.2抛物线方程（ParabolicFunction）t'[`"pp= 28>/#I9/] 7A^L$TY 如图1.1，抛物线的极坐标方程为：lJt?0;gn​ ρ=2f/(1+cosθ                 （1.1）Jk57|)/ 则抛物面的半口径R为：l:*.0Tj R=ρsinθ                     （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。,8oY(h 6L3i 仔细分析，我们可以发现：hbm#H7Y AC+CF=BD+DF               （1.3）D{6<,#P{w​ 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stringmethod将用到这一概念。D&1(qi=x& 在图1.1中，假设f=8mm，θ=135°，则R＝ρsinθ=38.6mm。4jW<*jM §1.3边缘光线原理（Edge-RayPrinciple）=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（ConcentrationRatio）$Y8iT<nP 对于一个聚光器，我们定义聚光比为：_7^:1i~:. C＝Aentry/Aexit                  （1.4）~-'-<- Aentry为入射光束的截面积，Aexit为出射光束的截面积；C越大，聚光效果越好。读者可以自行计算图1.2中聚光器的C值。（见式1.5）9>;CvR §1.3.2接收角（AcceptanceAngle）szp.\CMz 如图1.2，接收角定义为边缘光线被反射器反射一次后出射在接收器边缘时（仍在出射面内）入射光线与垂直方向的夹角θmax。‑7,Y+FZ R,8Tt!n Rg3g:TV9c §1.3.3拉线法（StringMethod）分析抛物线轨迹​3|D.r-Q 如图1.2，将一根圆杆（rod）与水平面成θmax角放置于聚光器入射端。圆杆上有一个圆环，圆环上系有细线（string），细线的一端系于焦点d。将细线拉直，并保证垂直于圆杆，圆环从A走到C，细线另一头a走过的轨迹即为抛物线。显而易见，Aa+ad=Bb+bd=Cc+cd。9r](/"=f %-Ga^[ *!yA'z< 图1.2是拉线法的最简单示意。在SolarEnergySystem中，不同的吸收面（如CylindricalAbsorber）都可以用stringmethod来显示反射面的轨迹。这种轨迹可能是渐开线与抛物线的结合。{Rn*)D9 bjq.nn<= 2Hk21y\ §1.4抛物面的倾斜（TiltofParabolic）czK}F/Sg` 首先，CPC并非是通常的聚光器。从截面来看，两个反射面的焦点并不一定是同一点。也就是说，并非共焦系统，所以是非成像系统（NonimagingSystem）。如图1.2，右面反射镜的焦点在d点。左面反射镜的焦点在c点。这就是“复合（compound）”的真正意思，是由两片反射镜组合在一起的。两片反射镜的光轴并不重合，但是它们有自己的对称轴Z。r(<91~Ww 不同形态的CPC可由抛物线经旋转（tilt）得到。如图1.3，虚线1、2是未经旋转的抛物线（OriginalParabolic），两者的光轴本来是水平的。反射镜1的光轴Axis1绕自己的焦点f1旋转了20°，反射镜1也跟着旋转了20°，到1’的位置。抛物线2也经过的同样的旋转，只是方向相反。79B+8=K -i]2b ​HcpAp]L) 经过旋转，可以获得我们需要的接收角。大于接收角的光线将会被系统反射出去，无法到达吸收面（exitaperture）（见图1.9）。qRkPl!5 事实上，由式（1.5）可知，减少接收角也就增大了集光率C：oo1h"[ W+Ou%uv}S C=1/sinθmax         （1.5）gFXz:!A IV%Rp​h>d 下面我们对旋转前后的参数进行一些计算。H-eHX3c7 JO~6‑2='J c`oW-K{ ^ZFK:|Ju 如图1.4，简单地，可以得到：I(b]V!mj: 'Jd*r(2d R=2fl/(1-cosΦ             （1.6）R‑pj{!Ia r=Rsin(Φ-θmax)-a’    （1.7）\/-4jF: z=Rcos(Φ-θmax)           （1.8）k&npC8oA fl=a’(1+sinθmax)         （1.9）sAnb​ w17CZa6 在tracepro中，根据需要，Axistilt可任意选择，只要保证开口口径（entryaperture）不为0即可。对于 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 的聚光器（textbookconcentrator），Axistilt即为接收角θmax。Lateralfocalshift，顾名思义就是焦点（focalpoint）在Lateral方向（图1.5的Y方向）上的移动量（shift）。若Lateralfocalshift=0，焦点未发生移动，仍在焦平面与中心轴的交点。对于规范的聚光器（textbookconcentrator），Lateralfocalshift即为a'，即保证满足边缘光线原理。>[Tt'.S!? i/PL!'oq /h@3R[k -]G=Q11 §1.5tracepro中CPC的建立与模拟R:[​#OH.c 见图1.5，未经旋转的CPC即为conicalparabolic。图1.5中frontlength可由图1.1中得到，frontlength=|ρcosθ|=R=38.6mm。此CPC的出光面（exitaperture）为焦平面，所以backlength为0。/x\~5cC t_+owiF)M 旋转后的CPC如图1.6：V7B%o:FZo `#l1 对旋转前后的CPC进行模拟：qRq4PQ@ g'2}Y5m$`  L1&`3a?pL X]dN1/_ 2iCBF-, 若θ>θmax，光束将被系统反射出去。如图1.9：5UX-Qqr %BQ?DTtb7'