一种球面碟式聚光器及其设计方法

1.本发明涉及聚光太阳能光热利用技术领域，尤其涉及一种碟式聚光器及其设计方法。


背景技术：

2.聚光太阳能热利用是使用聚光技术，将大量低密度太阳能聚焦到较小面积上，形成高密度太阳能，从而可以产生高温热能，用于太阳能热发电，是最有希望取代燃煤电厂的热发电技术。目前的主要聚光太阳能技术有塔式、槽式、线性菲涅耳和碟式聚光太阳能技术。
3.通常碟式太阳能聚光技术使用旋转抛物面反射镜作为主镜，使用双向跟踪设备，让入射太阳光总是以0度左右入射角入射到碟式反射镜上，由碟式反射镜将太阳光聚焦到焦点上，使用接收器或直接加热工质，驱动安装在焦点上的发动机发电。这种方法的余弦因子最大，效率最高，是最有发展前景的聚光太阳能技术之一。
4.但是，通常碟式系统使用旋转抛物面反射镜作主镜，旋转抛物面加工难度大，成本高，误差大，导致系统性能下降。最简单的解决办法是使用小面积平面镜拼接构成碟式系统反射镜，如中科大王云峰的博士论文研究了这种系统性能，但聚光倍数大幅度下降，性能比旋转抛物面碟式系统差很多。其次是使用多个球面镜拼接构成反射镜，模拟旋转抛物面反射镜，如专利cn201220201616.1和我们2022年发表在apply science的优化文章，都使用正方形球面镜，拼接组成反射镜，可以降低反射镜加工难度和成本，文献中还有用正六边形以及正三角形球面镜，但它们都引入了球面像差，包括球差，子午和弧矢面像差，仍然明显降低了系统性能。第3种解决方法是使用球面镜做主镜，在天文望远镜领域，已经成为很多巨型望远镜的主要选择方案之一，可以大幅度降低主镜加工难度和加工成本，但往往需要使用多个次镜来修正球差和慧差等像差，使得系统结构很复杂，制造难度和成本增加，很难应用到太阳能领域。专利cn200610041392.1则使用球面镜代替旋转抛物面，不加像差修正，使用管式接收器，长度等于球面半径一半，也就是球面镜聚光倍数和性能都大幅度下降。cn201610278112.2和cn201610278111.8则使用多个非球面反射镜构建离轴碟式系统，反而加工难度和成本都增加。
5.使用双镜和多镜构建望远镜是天文学领域常用方法，在太阳能领域，多镜系统复杂，技术实现上也比较困难，不太可行，但目前已有使用双镜方案，例如，潘其坤等发表的《基于卡塞格林结构的高倍太阳能聚光镜》(中国光学，2012，vol5,no4)设计的双镜系统，接收器使用光伏电池，使用旋转抛物面反射镜作主镜，旋转双曲面作副镜，仅消除球差，理论聚光比仅为550倍，而且加工难度大，实际聚光比为500倍，性能低于传统碟式系统。
6.最近我们提出的解决方案之一，如专利2023100678201所述，是使用椭球面镜拼接构成主反射镜，虽然消除了子镜像差，包括球差和象散，保持了性能，加工难度减小，实际性能有所增加，但其加工难度仍然较大，加工精度则比不上球面镜。


技术实现要素：

7.本发明目的就是为了弥补已有技术加工难度大，精度低，从而系统性能低的缺陷，提供一种球面碟式聚光器及其设计方法，本发明提出了使用环形球面反射镜拼接构成碟式系统反射镜，通过选择合适的通过宽度和半径，消除像差。
8.本发明是通过以下技术方案实现的：
9.一种球面碟式聚光器，包括反射镜和接收器，所述的反射镜是由多个环形球面镜拼接构成，所述任何一个环形球面镜的横向中间点构成的圆，都在同一个旋转抛物面上，所述的接收器是平板接收器或空腔接收器，安装在所述旋转抛物面焦点上。用环形球面代替对应的环形旋转抛物面，由于使用的环形球面镜通光宽度较小，它们反射的光也有共同的焦点，虽然离整个球面反射镜的焦点有一定的距离，但本身聚焦的光斑半径较小，从而消除了大部分球差。通过调整球面位置和球面半径，让环形球面反射镜焦点也在旋转抛物面焦点上，从而消除球差。
10.若所述环形球面镜的横向中间点构成的圆周上任意一点离旋转抛物面主轴距离为di，在旋转抛物面上的边缘角为所述环形球面镜的球面半径为ri，则
11.聚光太阳能系统优化的目标是获得最多的热能。增加接收器半径，可以提高拦截率，使得吸收器吸收更多能量，但是，接收器工作在高温下，损失的能量与接收器开口面积成正比，从而增加损失的能量。我们的研究表明，当反射光分布在3σ张角范围内的都被拦截，获得能量接近最多。继续增加接收器半径，虽可增加拦截的张角范围，但拦截的能量增加很少，而损失的热能增加得反而更多，从而得不偿失，因此，我们通过研究得出结论之一，就是初步设计，可采用拦截张角小于等于3σ范围反射太阳光，则所述的碟式系统接收器半径rc可按下式计算：
[0012][0013]
其中σ是反射太阳光强高斯分布方差，r0是碟式聚光太阳能集热系统通光半径，为碟式聚光太阳能集热系统边缘角；反射太阳光强高斯分布方差σ计算式为：
[0014][0015]
σ
sun
为太阳光球高斯分布方差，σ
slopex
是反射镜坡度误差分布方差；σ
tracking
是跟踪误差高斯分布方差；σ
disp
是系统安装误差高斯分布方差；σ
specular
是反射镜材料误差高斯分布方差，通常很小，可忽略不计；参考bendt等发表的槽式系统研究报告《optical analysis and optimization of line focus solar collectors》提供的实测数据，可取太阳光球分布方差σ
sun
为4.1mrad，σ
slope
是反射镜坡度误差分布方差，使用球面镜时，取1.0mrad；σ
tracking
是跟踪误差高斯分布方差，取1.0mrad；σ
disp
是系统安装误差高斯分布方差，取1mrad；σ
specular
是反射镜材料等误差高斯分布方差，通常很小，可忽略不计；计算得到σ＝4.776mrad。上述结果可作为初步设计值，用于优化。
[0016]
所述任意一个环形球面镜通光宽度不应超过按下述方法计算得到的上限：
[0017]
若该环形球面镜任意一点到焦点连线与旋转抛物面对称轴夹角最大值为ψi，则横向中间点对应的环上边缘角
[0018][0019]
则该环形球面镜通光宽度w的上限按下式计算：
[0020][0021]
按照上式设计，就可以消除球面镜带来的像差，从而消除使用球面镜带来的缺点，同时可以利用球面镜容易加工，光学误差小的优点。
[0022]
所述环形球面镜是由扇形球面镜拼接构成的，构成同一个环形球面镜的每个扇形球面镜外形和球面半径都相同，从而可以方便地制造。
[0023]
所述碟式聚光太阳能集热系统边缘角范围是35-50度，从中选定一个值开始设计计算。通常使用45度作为初始设计值。
[0024]
所述碟式聚光太阳能集热系统安装在双向跟踪装置上。
[0025]
所述接收器使用空腔接收器时，在空腔接收器开口处安装球缺面透明玻璃盖板，球缺面透明玻璃盖板凹面置于空腔接收器内部。
[0026]
为了帮助该系统设计，我们提出了一种球面碟式聚光器的设计方法，具体步骤如下：
[0027]
第一步，根据需求确定碟式聚光太阳能集热系统的通光半径r0；
[0028]
第二步，确定碟式聚光太阳能集热系统边缘角为45度；
[0029]
第三步，确定焦距接收器半径为
[0030]
第四步，首先确定最外层环形球面镜宽度，按下式计算该环形球面镜中心在旋转抛物面上的边缘角
[0031][0032]
这时则该环形球面镜通光宽度w的上限按下式计算：
[0033][0034]
从而确定该环形球面镜通光宽度w，然后确定该环形球面镜中心圆上任意一点离主轴距离di，按下式计算：
[0035][0036]
则该环形球面镜球面半径ri计算式为：
[0037][0038]
第五步，然后按照第四步方法，计算第二个环形球面镜最大边缘角数据，按上述方法依次确定各环形球面镜通光宽度参数；
[0039]
第六步，使用光线追踪程序仿真计算系统性能，若不满意结果，则调整接收器半径，或改变系统边缘角，重新按照第四到第六部重新完成新设计和性能计算。
[0040]
本发明的优点是：本发明提出了使用球面反射镜拼接，作为子镜构成碟式系统反射镜，每个子镜都是球面一部分，通过控制环形球面反射镜宽度，较好地消除球差，也不存在慧差和象散，可以取得很好的聚光效果，不仅提高了系统效率，而且降低了加工难度和成本。
附图说明
[0041]
图1为球面拼接碟式系统侧视图；
[0042]
图2为球面拼接碟式系统扇形球面镜拼接组成的环形球面镜；
[0043]
图3为扇形球面镜外形轮廓；
[0044]
图4为新型碟式系统接收器的开口面(焦面)能流密度分布图。
具体实施方式
[0045]
如图1-4所示，一种球面碟式聚光器，包括反射镜1和接收器3，所述的反射镜1是由多个环形球面镜2拼接构成，所述任何一个环形球面镜2的横向中间点构成的圆，都在同一个旋转抛物面上，所述的接收器3是平板接收器或空腔接收器，安装在所述旋转抛物面焦点上。
[0046]
若所述环形球面镜的横向中间点构成的圆周上任意一点离旋转抛物面主轴距离为di，在旋转抛物面上的边缘角为所述环形球面镜的球面半径为ri，则
[0047]
所述的接收器半径rc按下式计算：
[0048][0049]
其中σ是反射太阳光强高斯分布方差，r0是所述碟式聚光太阳能集热系统通光半径，为碟式聚光太阳能集热系统边缘角；反射太阳光强高斯分布方差σ计算式为：
[0050][0051]
σ
sun
为太阳光球高斯分布方差，σ
slopex
是反射镜坡度误差分布方差；σ
tracking
是跟踪误差高斯分布方差；σ
disp
是系统安装误差高斯分布方差；σ
specular
是反射镜材料误差高斯分布方差。
[0052]
所述任意一个环形球面镜通光宽度的上限按如下方法计算：
[0053]
若该环形球面镜任意一点到焦点连线与旋转抛物面对称轴夹角最大值为ψi，则横向中间点对应的环上边缘角
[0054][0055]
则该环形球面镜通光宽度w的上限按下式计算：
[0056][0057]
所述环形球面镜是由扇形球面镜5拼接构成的，构成同一个环形球面镜的每个扇形球面镜外形和球面半径都相同。
[0058]
所述碟式聚光太阳能集热系统边缘角范围是35-50度，从中选定一个值开始设计计算。
[0059]
所述碟式聚光太阳能集热系统安装在双向跟踪装置上。
[0060]
所述接收器使用空腔接收器时，在空腔接收器开口处安装球缺面透明玻璃盖板4，球缺面透明玻璃盖板4凹面置于空腔接收器内部。
[0061]
一种球面碟式聚光器的设计方法，具体步骤如下：
[0062]
第一步，根据需求确定碟式聚光太阳能集热系统的通光半径r0；
[0063]
第二步，确定碟式聚光太阳能集热系统边缘角为45度；
[0064]
第三步，确定焦距接收器半径为
[0065]
第四步，首先确定最外层环形球面镜宽度，按下式计算该环形球面镜中心在旋转抛物面上的边缘角
[0066][0067]
这时则该环形球面镜通光宽度w的上限按下式计算：
[0068][0069]
从而确定该环形球面镜通光宽度w，然后确定该环形球面镜中心圆上任意一点离主轴距离di，按下式计算：
[0070][0071]
则该环形球面镜球面半径ri计算式为：
[0072][0073]
第五步，然后按照第四步方法，计算第二个环形球面镜最大边缘角数据，按上述方法依次确定各环形球面镜通光宽度参数；
[0074]
第六步，使用光线追踪程序仿真计算系统性能，若不满意结果，则调整接收器半径，或改变系统边缘角，重新按照第四到第六部重新完成新设计和性能计算。
[0075]
下面以环形球面镜拼接构成通光半径r0＝4.1米的碟式系统为例，给出主要设计参数。如前所述，反射光强高斯分布方差σ＝4.776mrad，采用空腔接收器，最大聚光比时，系统边缘角为45度，接收器半径rc＝117.5毫米，聚光比为1214。系统焦距米，我们选择球面反射镜通光宽度为0.4米，共使用10个环形球面镜。实际制造时，使用多个扇形球面反射镜拼接构成环形球面镜，每个扇形球面反射镜宽度可灵活取0.5米左右。空腔接收器安装到旋转抛物面焦点上，将系统安装到双向跟踪装置
上，就可以构成可以收集太阳能的碟式系统。我们建立的光线追踪程序计算了焦面能流密度分布，如图4所示。拦截率达到99.8％。如果采用旋转抛物面构建同样碟式系统，通光半径和接收器半径相同，但抛物面径向误差为3mrad，光学误差为7.4mrad，拦截率为95.1％，比拼接碟式系统低4.7％，而且制作复杂，成本高。因而本方案不仅提高了系统效率，而且降低了制造成本。
[0076]
太阳能碟式聚光器的原理与天文反射望远镜相似，天文望远镜主要聚焦光强很低的恒星和行星光，要求比较完好地再现目标结构，也就是常说的光学成像系统，比太阳能聚光器要求高得多。太阳能碟式系统则可以使用非成像系统，主要目标是高聚光比，从而减小热损，获得更多热能。低成本的天文反射望远镜多使用球面反射镜代替抛物面反射镜，就是看中球面镜制造工艺简单，制造成本低，但多使用长焦距系统，以便消除球面反射镜的球差。在碟式太阳能系统中，同样可以使用球面镜代替抛物面反射镜，其主要缺点是，增加焦距可以消除球差，但光斑半径与焦距成正比，使得聚光比下降，热损增加。本发明提出多个环形球面镜拼接，通过使用不同半径球面镜，同时限制环形球面镜宽度，消除球差，克服了使用球面镜有球差缺点，同时利用了球面镜容易制造，光学误差较低的优点。实际需要根据聚光镜光学误差，太阳光强分布参数，接收器热损等系统性质，选择合适的环形球面镜宽度，球面半径和焦距，以及接收器半径。我们建立了聚光比与球面半径，焦距，以及根据拦截的反射光强分布宽度确定接收器半径的关系，就可以计算获得最佳设计参数，获得最多的净能量。下面是我们建立的分析计算方法：
[0077]
参见我们发表在2013年文章，《optical analysis and optimization of parabolic dish solar concentrator with a cavity receiver》(solar energy,2013，vol 92,pp288-297),考虑到入射能量是一定的，我们的优化目标也可以是系统年平均净热效率η最大，计算式如下：
[0078][0079]
ρ是镜面反射率，τ是接收器加透明盖板的透过率，没有透明盖板时为1.0，α是接收器吸收率，γ是接收器的拦截率，可使用光线追踪程序计算得到，或按本文提出的方法(见后)估算得到；表达式最后一项是几何聚光比的倒数；q是接收器单位面积热损(单位是w/m2)，ξ是一年里单位接收器面积上热损能量与单位面积聚光器接受的太阳直射能量之比，我们称为系统热损系数，我们使用晴天模型近似来计算年平均ξ，如下式：
[0080][0081]
这里g的积分代表一年内太阳高度大于15度的工作总时间，分母是一年内单位面积太阳能直射资源总量，在一定工作温度下，接收器单位面积上热损q可近似为常数。例如，在工作温度为800℃下，开口直径为0.14m的wga空腔接收器的总热损功率是0.260kw左右，随太阳高度角略有变化，在太阳高度角的最大变化为60度时，变化约2％(fraser 2008)。一般地，我们可以应用以下公式计算空腔接收器热损(siebers dl,kraabel js.estimating convective energy losses from solar central receivers.sandia national laboratories；1984.)：
[0082][0083]
其中tw是接受面平均温度，ta是环境温度，a是空腔接收器开口面积；这里的ε是发射率，σ是波耳茨曼常数＝5.67*10-8
w/(m2k4)。
[0084]
采用晴天模型或实测数据，可计算年平均dni，得到热损系数ξ，从而可以仿真计算不同设计参数下的系统年平均净热能效率η
heat
，得到优化设计参数。
[0085]
采用空腔接收器，还可以在开口处加透明盖板，降低热损，但同时也会因透过率低于1而减少进入接收器的太阳能。通常多使用石英玻璃，既耐高温，又有较高的透过率，但普通石英玻璃的透过率较低，有时抵消不了热损，其主要原因是太阳光入射到普通石英玻璃的反射率高，降低反射率的主要措施是在石英玻璃表面增加减反射膜，从而减少表面反射，就可以增加透过率，文献报道，可以将透过率从93％增加到99％。
[0086]
我们此前计算了接收器后接斯特拉发动机，工作在800℃下两种典型空腔接收器的热损系数，一种是不加透明盖板的空腔接收器，热损为16.26w/cm2，热损系数为168.25；另一种是加透明盖板的空腔接收器，热损为1.67w/cm2，热损系数为18.177。我们主张使用碟式系统获得热能，再将大量碟式系统收集的热能集中起来驱动蒸汽轮机发电，碟式系统最高工作温度则在600℃左右，热损要小得多，这种系统可对大量碟式系统进行分组，分别工作在不同温度，从而可以进一步降低热损，对优化设计来说，工作量也增加了几倍。
[0087]
本系统等于使用多个球面反射镜的一部分拼接构成碟式系统反射镜，太阳中心光线都是垂直入射每个球面反射镜，因而慧差和象散都很小，可以忽略不计。采用球面镜就会带来球差。我们采取的方案是使用环形球面镜，通过限制反射镜宽度来消除球差，下面讨论消除球差的方法。球差是指平行球面镜主轴入射的平行光，在焦面上会形成较大的光斑，光斑半径δx，就是横向球差，参见(苏)克略帕洛娃等《光学系统的研究与检验》第175页，可以用下式表示：
[0088]
δ
x
＝r*tan(ψ)*sin2(ψ/4)/cos(ψ/2)
[0089]
r是球面反射镜球的半径，ψ是球面反射镜反射光线与主轴的最大交角。
[0090]
旋转抛物面碟式系统不存在球差，接收器主要拦截弥散的反射光线，但使用球面子镜拼接构成旋转抛物面碟式系统，必然产生球差，如上所述公式，球差与球面尺寸相关，由于球面通光口径r0与球面半径r之比r0/r＝sin(ψ/2),按照球差计算式，r0/r越大，球差就越大。由于r增加，会增加象斑半径，因此，人们主要限制反射镜通光尺寸来消除球面镜球差，我们的研究表明，如果σ是反射光强高斯分布方差，应当至少完全拦截3σ范围的反射光，可以得到接收器半径rc应按下式计算：
[0091][0092]
r0是碟式系统通光半径，是碟式系统边缘角，其中反射光强高斯分布方差σ的计算式为：
[0093][0094]
参考bendt等发表的槽式系统研究报告《optical analysis and optimization of line focus solar collectors》提供的实测数据，可取太阳光球分布方差σ
sun
为4.1mrad，σ
slope
是反射镜坡度误差分布方差，使用球面镜时，取1.0mrad；σ
tracking
是跟踪误差
高斯分布方差，取1.0mrad；σ
disp
是系统安装误差高斯分布方差，取1mrad；σ
specular
是反射镜材料等误差高斯分布方差，通常很小，可忽略不计；计算得到σ＝4.776mrad。
[0095]
使用球面镜拼接时，横向球差δ
x
就是使拦截的反射光斑半径增加部分，此时，接收器半径计算式为：
[0096][0097]
我们消除球差，就是要降低球差的影响，对于本文提出的碟式系统，我们的研究结果表明，当球差δ
x
≤30％rc，影响就可以忽略了，也就是：
[0098][0099]
对于环形球面镜，象斑半径或横向球差可按下式计算：
[0100][0101]
该环形球面镜球面半径代入上式，得到：
[0102][0103]
可用数值方法求解得到ψ,如果环形球面镜宽度为w，则
[0104][0105]
从而得到消除环形球面镜球差所要求的最大宽度w。也可以采用下列方法近似估算最大宽度w：
[0106]
由于球差随ψ增大而迅速增大，因此我们只需要估算ψ最大情况，这时它等于系统边缘角则可近似按下式计算：
[0107][0108]
则可根据式计算得到环形球面镜宽度w，这样的设计要求下，系统就可以消除适用球面镜带来的球差，从而取得很好的聚焦效果。
[0109]
下面分析使用空腔接收器的有益效果。
[0110]
使用空腔接收器比平板接收器性能优越，其原因是空腔接收器吸收率高，光线进入空腔后，基本上都被接收器吸收，而平板接收器会反射一部分被拦截的太阳光线，通常这部分约占5％-10％，使得吸收率较低。这是使用空腔接收器的主要有益效果。
[0111]
此外，参见图4，碟式旋转抛物面反射镜在焦面上能流密度分布很不均匀，焦面中心能流密度高，边缘密度低，使得设置在焦面上的接受面温度分布不均匀，导致热损会较大，热性能稳定性较差，还容易烧毁接受面。使用空腔接收器，可改变不同位置离焦点距离，从而调整接受面能流密度，保持比较均匀的腔体能流密度分布和温度分布，这种方法是通关调整接收器内部接受面结构，使能流密度和温度分布均匀，从而比平板式接收器热损小，热性能稳定，集热效率高。
[0112]
本发明提出的设计方法，可以快速方便地确定使用环形球面碟式系统各项光学设计参数。通常如何选择系统各项设计参数，包括系统通光半径，焦距，边缘角，接收器半径，
环形子镜宽度，球面半径等，常常需要大量仿真计算不同条件下系统性能，综合考虑多种因素影响，才能确定，如美国bendt等发表的槽式系统研究报告《optical analysis and optimization of line focus solar collectors》。这种方法过程复杂，工作量很大，还不一定得到优化的设计方案。本方法则是根据本人提出的接收器尺寸计算公式，得到聚光比计算公式，从而可以确定最佳边缘角和接收器尺寸，从而确定系统各个设计参数。在拼接子镜设计方面，则建立了消除球差条件和计算公式，从而确定环形球面镜宽度参数。本发明提出的设计方法，计算过程简单，思路清晰，可以比较容易得到可靠设计，优于传统光学方法得到的设计，在此基础上可优化得到最佳设计。
[0113]
初步设计经过优化后，为实际系统提供的方案设计参数为，主镜通光半径为4.1米，边缘角为45度，接收器半径为117.5毫米，几何聚光比为1214.4倍。使用高斯反射光强分布，方差为4.776mrad，仿真计算系统性能，拦截率为99.8％。如图4是计算得到的接受面上能流密度分布。净能量效率为90.15％。对比使用旋转抛物面，坡度误差会增加到2到4mrad，以平均值3mrad计算，当采用同样接收器和几何聚光比时，拦截率会下降到95.1％，比本文提出的系统低4.7％，净能量效率降低到85.9％，比本文系统低4.25％。

技术特征：
1.一种球面碟式聚光器，包括反射镜和接收器，其特征在于：所述的反射镜是由多个环形球面镜拼接构成，所述任何一个环形球面镜的横向中间点构成的圆，都在同一个旋转抛物面上，所述的接收器是平板接收器或空腔接收器，安装在所述旋转抛物面焦点上。2.根据权利要求1所述的一种球面碟式聚光器，其特征在于：若所述环形球面镜的横向中间点构成的圆周上任意一点离旋转抛物面主轴距离为d
i
，在旋转抛物面上的边缘角为所述环形球面镜的球面半径为r
i
，则3.根据权利要求2所述的一种球面碟式聚光器，其特征在于：所述的接收器半径r
c
按下式计算：其中σ是反射太阳光强高斯分布方差，r0是所述碟式聚光太阳能集热系统通光半径，为碟式聚光太阳能集热系统边缘角；反射太阳光强高斯分布方差σ计算式为：σ
sun
为太阳光球高斯分布方差，σ
slopex
是反射镜坡度误差分布方差；σ
tracking
是跟踪误差高斯分布方差；σ
disp
是系统安装误差高斯分布方差；σ
specular
是反射镜材料误差高斯分布方差。4.根据权利要求3所述的一种球面碟式聚光器，其特征在于：所述任意一个环形球面镜通光宽度的上限按如下方法计算：若该环形球面镜任意一点到焦点连线与旋转抛物面对称轴夹角最大值为ψ
i
，则横向中间点对应的环上边缘角则该环形球面镜通光宽度w的上限按下式计算：5.根据权利要求1到4任一项所述的一种球面碟式聚光器，其特征在于：所述环形球面镜是由扇形球面镜拼接构成的，构成同一个环形球面镜的每个扇形球面镜外形和球面半径都相同。6.根据权利要求5所述的一种球面碟式聚光器，其特征在于：所述碟式聚光太阳能集热系统边缘角范围是35-50度，从中选定一个值开始设计计算。7.根据权利要求6所述的一种球面碟式聚光器，其特征在于：所述碟式聚光太阳能集热系统安装在双向跟踪装置上。8.根据权利要求7所述的一种球面碟式聚光器，其特征在于：所述接收器使用空腔接收器时，在空腔接收器开口处安装球缺面透明玻璃盖板，球缺面透明玻璃盖板凹面置于空腔接收器内部。9.一种球面碟式聚光器的设计方法，其特征在于：具体步骤如下：
第一步，根据需求确定碟式聚光太阳能集热系统的通光半径r0；第二步，确定碟式聚光太阳能集热系统边缘角为45度；第三步，确定焦距接收器半径为第四步，首先确定最外层环形球面镜宽度，按下式计算该环形球面镜中心在旋转抛物面上的边缘角面上的边缘角这时则该环形球面镜通光宽度w的上限按下式计算：从而确定该环形球面镜通光宽度w，然后确定该环形球面镜中心圆上任意一点离主轴距离d
i
，按下式计算：则该环形球面镜球面半径r
i
计算式为：第五步，然后按照第四步方法，计算第二个环形球面镜最大边缘角数据，按上述方法依次确定各环形球面镜通光宽度参数；第六步，使用光线追踪程序仿真计算系统性能，若不满意结果，则调整接收器半径，或改变系统边缘角，重新按照第四到第六部重新完成新设计和性能计算。

技术总结
本发明公开了一种球面碟式聚光器及其设计方法，包括有反射镜和接收器，所述的反射镜是由多个环形球面镜拼接构成，所述任何一个环形球面镜的横向中间点构成的圆，都在同一个旋转抛物面上，所述的接收器是平板接收器或空腔接收器，安装在所述旋转抛物面焦点上。本发明提出了使用球面反射镜拼接，作为子镜构成碟式系统反射镜，每个子镜都是球面一部分，通过控制环形球面反射镜宽度，设计合适的球面半径，能较好地消除球差，也不存在慧差和象散，取得很好的聚光效果，不仅提高了系统效率4.25%，而且降低了加工难度和成本。且降低了加工难度和成本。且降低了加工难度和成本。


技术研发人员：黄卫东 宗诚刚
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/7/7