[发明专利]一种超短聚焦聚光光伏聚光镜

权利要求书

1.一种超短聚焦聚光光伏聚光镜设计方法，所设计的聚光镜由三部分组成，透镜阵列、多个自由曲面反射镜单元，和太阳能电池，透镜阵列位于反射镜的上面，太阳能电池位于它们的侧面，光线依次经过透镜、反射镜后入射到太阳能电池上，深宽比低于0.2，透镜阵列由一系列透镜单元组成，每一个透镜单元对应一个自由曲面反射镜单元，其中一对透镜单元和自由反射镜单元的设计方法如下：

1)透镜单元由两个表面组成，面型为非球面，分别定义为S₁和S₂；自由曲面反射镜由一个表面组成，面型为自由曲面，定义为S₃；太阳能电池的接收面的面型为平面，定义为S₄；需要求解的S₁、S₂和S₃，S₁、S₂和S₃均由离散点构成，对其求解的过程就是求解离散点坐标的过程；将入射光线束离散化处理，则每一条光线均与S₁、S₂、S₃和S₄相交，且在每一个面上的交点只有一个，求解S₁、S₂和S₃的过程最终转化成求解光线与S₁、S₂和S₃交点的过程；

2)设其中一条光线为f，首先求解光线f与S₁和S₂的交点，设光线f分别与透镜单元的两个表面S₁和S₂分别交于P₁和P₂；

3)光线f在所求的两个非球面S₁和S₂之间，依次穿过三种传播介质：气体N₀、透镜单元N₁和气体N₂，S₁和S₂之间的距离为d，光线f通过S₁的方向和位置参数分别为U₀和h₁，U₀为光线f与光轴Z的夹角，h₁为光线f与S₁切平面交点的高度值，光线在S₁后的方向参数为U₁，光线通过S₂后的方向和位置参数分别为U₂和h₂，以透镜单元的光轴方向为Z方向，透镜单元的径向方向为Y方向，对透镜单元的两个面S₁和S₂分别建立坐标系，光线f与S₁面的交点为P₁(y₁,z₁)，与S₂面的交点为P₂(y₂,z₂)，P₁和P₂之间的距离为R，R_y和R_z分别为R在y和z方向上的分量，即R、R_y和R_z满足公式(1)，光线的方向角满足公式(2)：

Ry=y2-y1Rz=d-z1+z2R=Ry2+Rz2---(1)]]>

sinU1=RyRcosU1=RzR---(2)]]>

4)光线f在S₁上的y方向的坐标通过公式(3)表示，同理，在S₂上的y方向的坐标如公式(4)：

y₁＝h₁+z₁tanU₀    (3)

y₂＝h₂+z₂tanU₂    (4)

5)通过公式(1)-(4)，可得到S₁和S₂上P₁和P₂坐标的微分方程组，如公式(5)所示，通过求解这两个微分方程即可求得P₁和P₂的坐标，依次求解物空间所有的光线就可得到S₁和S₂所有离散点的坐标：

dz1df=-[N1Rz-N0RcosU0N1Ry-N0RcosU0+tanU0]-1(dh1df+z1dtanU0df)dz2df=-[N1Rz-N2RcosU2N1Ry-N2RcosU2+tanU0]-1(dh2df+z2dtanU2df)---(5)]]>

6)计算光线f与S₃的交点，求解S₃：光线f与S₁和S₂的交点P₁和P₂上面已经求得，光线f与S₄的交点Q的坐标已知，S₃上已知点的坐标为P₀，为P₀处的法矢量，设光线f与反射面的交点为P(x,y)，利用反射定律(6)和垂直条件(7)求得P的坐标；

Qp→=PP2→-2(PP2→·QP→)n→---(6)]]>

n→·PP0→=-1---(7)]]>

7)依次求得S₁、S₂和S₃的点坐标以后，进行拟合得到S₁、S₂和S₃的面型。