一种以接收面能流分布为目标的三维聚光镜反向设计方法技术

本发明专利技术涉及一种以接收面能流分布为目标的三维聚光镜反向设计方法，属于太阳能利用和光学工程技术领域，解决了三维非对称自由曲面光路系统的设计采用通用化的解决方案有诸多限制的问题，具体包括以下步骤：S1、建立能量映射关系，获得发射源/接收面的离散点数据；S2、利用离散点数据搭建自由曲面聚光器的初始面型结构；S3、采用光线追迹模拟方法获取实际接收面能流密度；S4、建立评价函数；S5、判断评价参数MF是否满足要求，若MF≤0.001，则结束设计并输出面型结构的最优化解；否则，建立反馈迭代关系式，求解新的目标能流密度并将其代入S1继续执行。本发明专利技术设计灵活性高，闭环自动求解，无需复杂操作，设计准确度高，求解速度快。

A reverse design method of three-dimensional condenser aiming at the distribution of energy flow on the receiving surface

【技术实现步骤摘要】
一种以接收面能流分布为目标的三维聚光镜反向设计方法
本专利技术属于太阳能利用和光学工程
，具体涉及一种以接收面能流分布为目标的三维聚光镜反向设计方法。
技术介绍
太阳能量取之不尽、用之不竭，对其的高效利用在近几年受到了广泛重视。太阳能聚光器将低倍太阳辐射汇聚在小面积接收面上，用于热转换时可提高换热温度及后端热功效率，用于聚光光伏系统时可大幅提升转换效率，前者要求高聚光比能流，后者要求能流分布的均匀性。随着加工制造技术的不断发展，使得聚光系统能够具备更高的光学精度，达到更好的能流分布控制，也令实现聚光器的几何反设计与制造成为可能。大型聚光系统的面型往往采用小面元拼接的方式，采用聚光单元离散控制思路对各个面元进行适当调控，既可在相同成本下获得更理想的目标能流分布，同等条件下获得更高的系统转换效率、提高安全性和使用寿命。三维非对称自由曲面光路系统的设计在光学工程领域在近几年来发展迅速，但在国际上仍属于难题，通用化的解决方案对其设计造成诸多限制。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种以接收面能流分布为目标的三维聚光镜反向设计方法，以解决上述的技术问题。本专利技术的技术方案是：一种以接收面能流分布为目标的三维聚光镜反向设计方法，包括以下步骤：S1、利用式(1)建立发射面和接收面之间的点——点能量映射关系，获得发射源/接收面的离散点数据，其中，利用式(2)建立发射面及接收面的特征变量对应关系(θE,rE)＝(f(θI,rI),g(θI,rI))(2)简化计算时，利用式(3)发射面及接收面的特征变量对应关系(θE,rE)＝(θI,g(θI,rI))(3)θ为极坐标下的角度值，r为极坐标下的半径值，即θI为发射源离散点的极坐标角度值，rI为发射源离散点的极坐标半径值，DI为发射源离散点集合，DE为接收面离散点集合，θE为接收面离散点的极坐标角度值，rE为接收面离散点的极坐标半径值，f(θI,rI)为自变量θI和rI与因变量θE之间的函数关系，g(θI,rI)为自变量θI和rI与因变量rE之间的函数关系；S2、利用上述获得的发射源/接收面的离散点数据，采用几何构造方法搭建自由曲面聚光器的初始面型结构；S3、采用光线追迹模拟方法获取实际接收面能流密度；S4、利用式(11)建立评价函数MF，其中，m和n为径向和周向网格划分数目，E0为初始目标能流密度，Ek为第k步模拟获得的接收面能流密度；S5、判断评价参数MF是否满足设计精度的要求，若MF≤0.001，则结束设计，输出自由曲面聚光器的面型结构的最优化解；否则，进行反馈迭代优化，返回S1继续执行。优选的，所述S2中采用几何构造方法搭建自由曲面聚光器的初始面型结构的方法包括以下步骤：S21、将中心点设为已知量，采用辐射状离散形式分别对中心点周边的各个支线j，j+1…进行2维自由曲线搭建；S22、将所有相邻离散点进行链接，构成离散三角平面单元；S23、将所有离散三角单元组合，最终构成自由曲面聚光器的初始面型结构。优选的，所述S3中采用光线追迹模拟方法获取实际接收面的能流密度的方法包括以下步骤：S31、利用式(4)定义发射面形状，其中，r0为发射点的极径，为发射点的极角，pr为发射面源最大半径。Rr和为处于0-1之间的随机数；S32、利用式(5)定义随机分布，其中，θ0为发射点的极径，ψ0为发射点的极角，θs为发射面源最大半径，Rr为处于0-1之间的随机数；S33、利用式(6)计算初始发射矢量M0，M0＝sinθ0cosψ0i+sinθ0sinψ0j+cosθ0k(6)其中，M0为初始发射矢量，θ0为发射点的极径，ψ0为发射点的极角；S34、利用式(7)预先整合所有离散发射点对应的边界约束矩阵集合Ttotal，Ttotal＝{Tmax(1,1),Tmax(1,2),...Tmax(Is,Js)}(7)其中，Tmax(Is,Js)为发射源离散序列(Is,Js)对应的边界约束序列范围；S35、利用式(8)获得发射源离散序列(Is,Js)的边界约束序列范围Tmax(Is,Js)，Tmax(Is,Js)＝{T(k,m):T(k,m)＜S(Is,Js)}(8)其中，T(k,m)是发射源离散序列(k,m)与自由曲面可能相交的下一个表面，S(Is,Js)是序列(Is,Js)在太阳锥角影响下的约束边界；S36、对各个离散三角平面单元进行蒙特卡洛射线追迹。优选的，所述S5中反馈迭代优化的方法包括以下步骤：S51、利用式(9)获取反馈系数βi其中，θ为极坐标下的角度值，r为极坐标下的半径值，E0为初始目标能流密度，βk为第k步的反馈系数，λ1和λ2为常数，取值范围0＜λ1＜1，λ2＞1，Ek为第k步模拟获得的接收面能流密度；S52、利用式(10)建立能流反馈迭代函数其中，θ为极坐标下的角度值，r为极坐标下的半径值，E0为初始目标能流密度，Efk为第k步反馈后的目标能流密度，单位都为W/m2，βi为第i步的反馈系数；S53、将利用式(10)计算出的第k步反馈后的目标能流密度Efk替换为新的目标能流密度E(θE,rE)。与现有技术相比，本专利技术提供的一种以接收面能流分布为目标的三维聚光镜反向设计方法，可应用于聚光光伏、太阳能热利用等系统的光路优化，也可用于光学照明设计、如路灯及车灯照明，其通过建立目标-接收面的离散能量映射网格关系，基于发射/接收矢量矩阵数据获得初步的聚光反射面离散点，将离散点构建成为三角面单元，对其进行改进后的光线追迹模拟，从而获得接收面能流分布，而后对所得能流进行反馈迭代、对面型进行重构，获得最终聚光反射面，其主要有以下特点：1、设计灵活性高、应用广泛本专利技术能够根据任意目标接收面的能流分布反向求解得出聚光面型，具备灵活的设计自由度，可用于聚光光伏、热利用等诸多系统的光路传输设计；2、闭环自动求解无需复杂操作本算法是闭环自动求解的，整个过程无需导入光学商业软件、无需进行文件导入/导出操作，直接根据给定目标求解获得最优解矩阵；3、设计准确度高本专利技术在能量映射及整个求解过程中考虑到了太阳入射圆锥角的影响，相比传统点光源设计思路更加符合事实情况，通过引入评价函数MF，采取反馈迭代优化算法，最终求解获得的MF值达到最优，进而达到极高的设计准确度；4、求解速度快本专利技术在蒙特卡洛光线追迹过程中考虑到了太阳入射圆锥角的影响，基于各离散发射矢量同目标接收平面的相交光锥约束内进行判断，大幅减小计算时间。该设计方法具有高效率、高准确度的特点，方法考虑了太阳锥角对矢量传输的影响，简化了目标-接收面能流分布网格映射的对应关系，光线追迹过程采用了基于太阳锥角目标截面约束的方法、大幅降低求交计算量和计算时间，实用性高，值得推广。附图说明图1为本专利技术计算求解流程图；图2为发射/目标接收面的能量映射关系图；图3为自由面生成几何构造方法，其中，图3(a)为延每一曲线的构造方法，图3(b)为自由面离散点的三角网格连接；图4为自由面上各个离散点示意图。具体实施方式下面结合图1到图4对本专利技术提供的一种以接收面能流分布为目标的三维聚光镜反向设计方法的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本专利技术的保护范围并不受具体实施方式的限制。如图1所示，本专利技术提供的一种以接收面能流分布为目标的三维聚光镜反向设计方法，包括以下步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以接收面能流分布为目标的三维聚光镜反向设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、利用式(1)建立发射面和接收面之间的点——点能量映射关系，获得发射源/接收面的离散点数据，

【技术特征摘要】
1.一种以接收面能流分布为目标的三维聚光镜反向设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、利用式(1)建立发射面和接收面之间的点——点能量映射关系，获得发射源/接收面的离散点数据，其中，利用式(2)建立发射面及接收面的特征变量对应关系(θE,rE)＝(f(θI,rI),g(θI,rI))(2)简化计算时，利用式(3)发射面及接收面的特征变量对应关系(θE,rE)＝(θI,g(θI,rI))(3)θ为极坐标下的角度值，r为极坐标下的半径值，即θI为发射源离散点的极坐标角度值，rI为发射源离散点的极坐标半径值，DI为发射源离散点集合，DE为接收面离散点集合，θE为接收面离散点的极坐标角度值，rE为接收面离散点的极坐标半径值，f(θI,rI)为自变量θI和rI与因变量θE之间的函数关系，g(θI,rI)为自变量θI和rI与因变量rE之间的函数关系；S2、利用上述获得的发射源/接收面的离散点数据，采用几何构造方法搭建自由曲面聚光器的初始面型结构；S3、采用光线追迹模拟方法获取实际接收面能流密度；S4、利用式(11)建立评价函数MF，其中，m和n为径向和周向网格划分数目，E0为初始目标能流密度，Ek第k步模拟获得的接收面能流密度；S5、判断评价参数MF是否满足设计精度的要求，若MF≤0.001，则结束设计，输出自由曲面聚光器的面型结构的最优化解；否则，进行反馈迭代优化，返回S1继续执行。2.如权利要求1所述的一种以接收面能流分布为目标的三维聚光镜反向设计方法，其特征在于，所述S2中采用几何构造方法搭建自由曲面聚光器的初始面型结构的方法包括以下步骤：S21、将中心点设为已知量，采用辐射状离散形式分别对中心点周边的各个支线j，j+1…进行2维自由曲线搭建；S22、将所有相邻离散点进行链接，构成离散三角平面单元；S23、将所有离散三角单元组合，最终构成自由曲面聚光器的初始面型结构。3.如权利要求1所述的一种以接收面能流分布为目标的三维聚光镜反向设计方法，其特征在于，所述S3中采用光线追迹模拟方法获取实际接收面的能流密度...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟宪龙，刘存良，李昊锐，贾斐然，罗大千，
申请(专利权)人：西北工业大学太仓长三角研究院，
类型：发明
国别省市：江苏,32