traceproCPC学习重点笔记专业资料.doc

花了好几天时间，把CPC大某些知识弄懂了。花了两个半天时间把这些知识整顿出来，但愿对人们有协助。有些概念还不是很清晰，文中难免有错漏，请人们多多指教。 ;|pw;-  
JVR,Py:%G  
转载请注明作者：shogun@.cn，E-mail： OE=.@Ry"  
#j4RX:T*[  
同步，搭贴求两本书电子版：《Nonimaging Optics》、《High Collection Nonimaging Optics》  w\y)  
如下是正文： @{U@?6eZ  
S!
h=HE  
>E9 k5  
CPC学习笔记 Xxr"Gc[  
9QHV%%  
p4vX3?&1W  
shogun@.cn，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及其各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，焦平面吸取体吸取光能并转化为可储存热能、电能等。
B/I1<%Yk  
WHcw5_3#  
§1.2抛物线方程（Parabolic Function） t'[`"pp=  
28>/#I9/]  

7A^L$TY  
如图1.1，抛物线极坐标方程为： lJt?0;gn  
ρ=2f/(1+cosθ                                  （1.1） Jk57| )/  
则抛物面半口径R为： l:*.0Tj  
R=ρsinθ                                          （1.2） 4A)_D{(SH  
对于一束平行光，经抱负抛物面反射后总能汇集到焦点。若将光源置于焦点位置，依照光路可逆性，从抛物面出来是比较完美平行光。抛物面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，咱们可以发现：
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轨迹集合。后文string method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边沿光线原理（Edge-Ray Principle） =nv/ r  
    对聚光器经常采用边沿光线法进行分析。边沿光线即是以最大入射角入射于聚光器边沿，并被反射器反射一次后出射在接受器（吸取面）边沿光线。 P?+ VR=t  
§1.3.1聚光比（Concentration Ratio） $Y8iT<nP  
对于一种聚光器，咱们定义聚光比为： _7 ^:1i~:.  
C＝Aentry/Aexit                                    （1.4） ~-'-<-  
Aentry为入射光束截面积，Aexit 为出射光束截面积；C越大，聚光效果越好。读者可以自行计算图1.2中聚光器C值。（见式1.5） 9>;CvR  
§1.3.2接受角（Acceptance Angle） szp.\CMz  
如图1.2，接受角定义为边沿光线被反射器反射一次后出射在接受器边沿时（仍在出射面内）入射光线与垂直方向夹角θmax。 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θmax角放置于聚光器入射端。圆杆上有一种圆环，圆环上系有细线（string），细线一端系于焦点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是拉线法最简朴示意。在Solar Energy System中，不同吸取面（如Cylindrical Absorber）都可以用string method来显示反射面轨迹。这种轨迹也许是渐开线与抛物线结合。 {Rn*)D9  
bjq.nn<=  
2Hk21y\  
§1.4抛物面倾斜（Tilt of Parabolic） czK}F/Sg`  
一方面，CPC并非是普通聚光器。从截面来看，两个反射面焦点并不一定是同一点。也就是说，并非共焦系统，因此是非成像系统（Nonimaging System）。如图1.2，右面反射镜焦点在d点。左面反射镜焦点在c点。这就是“复合（compound）”真正意思，是由两片反射镜组合在一起。两片反射镜光轴并不重叠，但是它们有自己对称轴Z。 r(<91~Ww  
不同形态CPC可由抛物线经旋转（tilt）得到。如图1.3，虚线1、2是未经旋转抛物线（Original Parabolic），两者光轴本来是水平。反射镜1光轴Axis1绕自己焦点f1旋转了20°，反射镜1也跟着旋转了20°，到1’位置。抛物线2也通过同样旋转，只是方向相反。 79B+8= K  

-i]2 b  
HcpAp]L)  
通过旋转，可以获得咱们需要接受角。不不大于接受角光线将会被系统反射出去，无法到达吸取面（exit aperture）（见图1.9）。 qR kPl!5  
事实上，由式（1.5）可知，减少接受角也就增大了集光率C： oo1h"[  
W+Ou%uv}S  
C=1/sinθmax                  （1.5） gFXz:!A  
IV%Rph>d  
下面咱们对旋转先后参数进行某些计算。 H-eHX3c7  
JO~62='J  

c`oW-K{  
^ZFK:|Ju  
如图1.4，简朴地，可以得到： I(b]V!mj： 
'Jd*r(2d  
R=2fl/(1-cosΦ                          （1.6） Rpj{!Ia  
r=Rsin(Φ-θmax)-a’        （1.7） \/-4jF： 
z=Rcos(Φ-θmax)                      （1.8） k&n
pC8oA  
fl=a’(1+sinθmax)                  （1.9） sAnb   
w17CZa 6  
在tracepro中，依照需要，Axis tilt可任意选取，只要保证开口口径（entry aperture）不为0即可。对于规范聚光器（textbook concentrator），Axis tilt即为接受角θmax。Lateral focal shift，顾名思义就是焦点（focal point）在Lateral方向（图1.5Y方向）上移动量（shift）。若Lateral focal shift=0，焦点未发生移动，仍在焦平面与中心轴交点。对于规范聚光器（textbook concentrator），Lateral focal shift即为a'，即保证满足边沿光线原理。 >[Tt'.S!? 
i/ PL!'oq  
/h@3R[k  
-] G=Q1 1  
§1.5tracepro中CPC建立与模仿 R：[#OH.c  
见图1.5，未经旋转CPC即为conical parabolic。图1.5中front length可由图1.1中得到，front length= |ρcosθ|=R=38.6mm。此CPC出光面（exit aperture）为焦平面，因此back length为0。 /x\~ 5
cC  

t_+owiF)M  
旋转后CPC如图1.6： V7B%o:FZo  


`#l1  
对旋转先后CPC进行模仿： qRq4PQ@  

g'2}Y5m$`  

L1&` 3a?pL  
X]dN1/_  
2iC BF-， 
若θ>θmax，光束将被系统反射出去。如图1.9： 5UX-Qqr  
%BQ?DTtb7'