tracepro CPC学习笔记Word格式.docx
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1.1什么是CPC（poundParabolicConcetrator）g}$B4_sY
CPC全名为复合抛物面聚光器。
CPC及其多种变型广泛应用于太阳能系统中。
CPC将光能量采集到焦平面，焦平面的吸收体吸收光能并转化为可储存的热能、电能等。
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1.2抛物线方程（ParabolicFunction）t'
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如图1.1，抛物线的极坐标方程为：
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ρ=2f/（1+cosθ
（1.1）Jk57|）/
则抛物面的半口径R为：
l:
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R=ρsinθ
（1.2）4A）_D{（SH
对于一束平行光，经理想抛物面反射后总能汇集到焦点。
若将光源置于焦点位置，根据光路可逆性，从抛物面出来的是比较完美的平行光。
抛物面的这个特性使它被广泛应用在各种照明系统中。
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仔细分析，我们可以发现：
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AC+CF=BD+DF
（1.3）D{6<
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A、B为平行光束与平行光束垂直面m的交点。
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tnDv
事实上，抛物线即是从平行光出发点到焦点光程相等点的轨迹的集合。
后文的stringmethod将用到这一概念。
D&
1（qi=x&
在图1.1中，假设f=8mm，θ=135°
，则R＝ρsinθ=38.6mm。
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1.3边缘光线原理（Edge-RayPrinciple）=nv/r
对聚光器经常采用边缘光线法进行分析。
边缘光线即是以最大入射角入射于聚光器边缘，并被反射器反射一次后出射在接收器（吸收面）边缘的光线。
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+VR=t
1.3.1聚光比（ConcentrationRatio）$Y8iT<
nP
对于一个聚光器，我们定义聚光比为：
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1i~:
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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>
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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!
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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。
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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。
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bjq.nn<
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2Hk2
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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（pound）”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。
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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）。
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5
事实上，由式（1.5）可知，减少接收角也就增大了集光率C：
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W+Ou%uv}S
C=1/sinθmax
（1.5）gFXz:
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d
下面我们对旋转前后的参数进行一些计算。
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c`oW-K{
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如图1.4，简单地，可以得到：
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mj:
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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&
npC8oA
fl=a’（1+sinθmax）
（1.9）sAnb
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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X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X的聚光器（textbookconcentrator），Lateralfocalshift即为a'
，即保证满足边缘光线原理。
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1.5tracepro中CPC的建立与模拟R:
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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。
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旋转后的CPC如图1.6：
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对旋转前后的CPC进行模拟：
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若θ>
θmax，光束将被系统反射出去。
如图1.9：
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