基于LED照明与弱光收集的节能车灯双向二次配光设计

为进一步利用太阳能,提出了“双向”利用光线的LED车灯设计新理念。运用光路可逆原理与边缘光线原理,构造矩形复合抛物面,对LED车灯进行“双向”二次配光设计。计算了远光灯矩形复合抛物面反光杯所需的最大出光半角、理论长度,借助tracepro软件,模拟研究了该矩形复合抛物面结构的最高光通量、平均光通量、光通量利用率随长度的变化关系,进一步截取较理论长度综合光学性能更好的反光器应用长度L=130 mm,并在此长度下,模拟了该LED远光灯照度分布情况与弱光收集情况。该类型车灯的LED照明与弱光收集互为补充,双向提高了LED车灯空间重复利用率。在照明方面,该灯能够满足现行标准GB25991-2010的要求,相同照度下,照明范围更大;相同照明范围内,照度更高;在弱光收集方面,是对当前太阳能汽车非聚光模式收集太阳能的补充。     

基于室内可见光通信技术的新型两级光学接收天线设计与分析

针对室内可见光通信系统的应用需求,设计了一种新型两级光学接收天线.根据复合抛物面聚光器光学增益随视场增大而减小的聚光特性,将复合抛物面聚光器截面基准曲线旋转设计得到具有一定旋转角与厚度的透镜壁复合抛物面聚光器.进一步结合透镜壁复合抛物面聚光器和半球透镜的优势设计了一种新型两级光学接收天线,在增益保持的情况下视场角增大了近20~?.在一个5 m×5 m×3 m的空旷房间,通过Trace Pro建立光学天线的分析模型,Matlab软件对室内可见光通信系统进行信道建模.计算结果表明,采用这种新型两级光学接收天线,与直接接收的情况相比,平均接收功率增幅为757.2%,是复合抛物面聚光器的5.62倍;信噪比平均值增幅为28.07%,是复合抛物面聚光器的1.67倍;光学增益为11.49,是复合抛物面聚光器的2.81倍.且光斑半径仅为2.5 mm,较复合抛物面聚光器减小了近37.5%,使得能量集中均匀分布,进一步证实该新型两级光学接收天线适用于室内可见光通信系统.     

新型圆形吸收体太阳能复合抛物聚光器面形构建及光学分析

针对圆形吸收体提出了一种几何聚光比和可接收角同步提高的新型太阳能复合抛物聚光器(CPC),构建了新型CPC面形结构模型及数学解析解。对新型CPC的聚光性能进行了分析,并与常规CPC的光学性能进行了比较,结果表明:对于切线角相同的圆形吸收体新型CPC,随着圆形吸收体的直径增大时,面形起点的纵坐标值减小;当圆形吸收体直径和切线角分别为47 mm和5.56°时,面形起点的纵坐标为-29 mm;随着光口宽度角增大,新型CPC聚光器的几何聚光比减小,可接收角和平均光学效率随着光口宽度角的增大而增大;当光口宽度角为60°时,几何聚光比为1.16,可接收角为74.39°,平均光学效率为86.77%;新型CPC聚光器吸收体表面的能流分布较传统CPC更均匀。     

组合式发光二极管路灯反射器的设计

设计了一组合式路灯反射器,以使发光二极管（LED）路灯在道路照明时产生矩形光斑和均匀照度。在非成像光学基础上,利用复合抛物面的高性能集光作用和机械设计软件的强大作图功能,设计了一款分段组合复合抛物面反射器（CPC）。基于“边缘光线原理”和”裁剪法”,此款反射器能将朗伯型发光的LED光束整形为近似矩形分布,出光效率达96％以上。理论模拟证明：在高度为10m,范围为10m×30m内利用此反射器进行二次配光的LED路灯的照度均匀度达0．5以上。该反射式LED路灯光束整形器结构简单,光学效率高、成本低廉,模拟结果完全达到了目前我国国家道路照明规范要求。     

基于复合抛物面集光器的LED教室灯具的配光设计

为了对LED教室灯具配光,建立了复合抛物面集光器配光系统。分析了LED光源发光特性,阐明了对LED光源进行二次配光的必要性。建立了三维复合抛物面集光器（CPC）模型,并由边缘光线原理计算得出三维复合抛物面集光器（CPC）模型各参数与最大出射半角m的关系,分析了m的制约因素。由阅读灯照度均匀度要求,确定了复合抛物面集光器（CPC）模型各参数的值,在光学分析软件Tracepro中建立了CPC模型,将LED光源置于其焦平面上,结合教室桌面与灯具距离,模拟了基于CPC配光的LED教室灯具的照度分布。试验结果表明,CPC配光系统最大出光半角为30时,光照均匀度超过0.7,满足建筑照明设计标准 GB 50034 2004对阅读照明的要求,该灯具有效光通可达95%以上。     

圆形吸收体复合抛物聚光器面形模型研究及仿真验证EI北大核心CSCD

固定光口聚光太阳能系统具有宽带集热温度、无需跟踪装置、无机械运动、易于集成构建、运行状态稳定等优点,因此针对圆形吸收体太阳能复合抛物聚光器(CPC)关键部件面形结构进行了研究。理论构建了圆形吸收体CPC面形结构模型,并获得其解析解。运用光学设计软件TracePro验证所构建理论模型的光学特性。利用圆形吸收体CPC面形光学特性,构建了CPC耦合太阳能集热系统,并建立其光学特性计算方法。针对所构建系统的光学特性进行了数值计算,结果表明所构建系统的采光量较真空管太阳能集热系统有所提高,平均提高比例为34.57%。     

圆形吸收体复合抛物聚光器面形模型研究及仿真验证

固定光口聚光太阳能系统具有宽带集热温度、无需跟踪装置、无机械运动、易于集成构建、运行状态稳定等优点,因此针对圆形吸收体太阳能复合抛物聚光器(CPC)关键部件面形结构进行了研究。理论构建了圆形吸收体CPC面形结构模型,并获得其解析解。运用光学设计软件TracePro验证所构建理论模型的光学特性。利用圆形吸收体CPC面形光学特性,构建了CPC耦合太阳能集热系统,并建立其光学特性计算方法。针对所构建系统的光学特性进行了数值计算,结果表明所构建系统的采光量较真空管太阳能集热系统有所提高,平均提高比例为34.57%。     

复合抛物面聚光器作为可见光通信光学天线的设计研究与性能分析

针对室内可见光通信的特点, 选择复合抛物面聚光器作为可见光通信系统光学天线, 介绍了复合抛物面聚光器的几何结构和光学特性, 利用光学仿真软件 TracePro对复合抛物面聚光器进行了设计、建模与仿真. 通过对不同光源条件下复合抛物面聚光器聚光特性的仿真发现: 在光源为朗伯辐射模型时复合抛物面聚光器的聚光性能更好, 且视场角越小增益越高; 但接收端与光源的相对位置对小视场复合抛物面聚光器的实际增益有明显影响, 在仿真条件下, 视场角为10°的复合抛物面聚光器实际增益为22.88, 比理论值降低了31%. 在此基础上, 在一个5 m×5 m×3 m的房间中对采用复合抛物面聚光器为光学天线的室内可见光通信系统进行了建模, 分别得到了直射链路和非直射链路下房间内各个位置的光功率分布. 仿真结果表明, 采用一个视场角为60°的复合抛物面聚光器为光学天线, 两种链路下平均接收功率分别提高了4.29 dBm和4.77 dBm, 非直射链路比直射链路的平均接收功率提高了11.2%.     

弱光探测器中复合抛物面聚光镜(CPC)的优化设计

基于非成像光学的原理,设计并研制了一种新的复合抛物面聚光镜(Compound parabolic concentrator,CPC)。提出基于遗传算法的聚光镜优化设计方法,将透过率作为遗传进化的目标函数,通过控制遗传算法的遗传进化方向,对CPC的结构进行优化调整。仿真实验结果表明,优化后的聚光镜入射孔径100mm,聚光比2.5:1,轴向长度84mm。当入射角为30°时,透过率达到75%以上。将此聚光镜应用于弱光探测器中,可以较好地满足器件的需要。     

实现均匀照度光伏聚光镜设计

为满足聚光光伏系统的聚光需求,解决传统点聚焦式聚光光伏系统中聚焦光斑不均匀、径长比过大和聚光比较小的缺点,在不增加二次匀光器件的前提下,设计了径长比小、聚焦光斑相对均匀、聚光比高的聚光光伏系统。根据几何光学柯勒照明原理、等光程原理和反射定律,通过数值求解等光程方程组获得聚光镜各个面型的轮廓曲线。利用TracePro软件对所设计的聚光系统进行光线追迹模拟,结果表明:在聚光比为725的情况下,聚焦光斑最大照度仅为太阳照度的2300倍,是点聚焦情况下的1/10左右,系统的径长比为0.3,接收角为0.72°。系统设计实现了结构紧凑,聚光性能高的设计目标,为高倍聚光光伏系统的小型化,简单化提供了一种有效的解决途径。     

用于太阳光泵浦激光的抛物面环形阵列聚光器

为研制适用于太阳光直接泵浦激光器的聚能系统,在分析菲涅尔透镜聚光原理及缺陷的基础上,提出抛物面环形阵列聚光器的设计方法。完成了由抛物面环形阵列聚光器、菲涅尔透镜及复合抛物面聚光器（CPC）组成的太阳光泵浦激光器二级聚能方案,并与传统菲涅尔透镜方案进行了对比。光线追迹仿真分析表明:新型聚光器能够克服传统菲涅尔透镜的色散、小棱镜面像差及光线遮挡的缺陷,从而提高聚能效,使用抛物面环形阵列聚光器的多级聚能方案较传统菲涅尔透镜的多级聚能方案聚光比提高约18.5%,更适合于大相对孔径、高聚光比聚光场合的应用。     

紫外通信中复合抛物面聚光器的优化

为了提高紫外通信系统中接收机探测信号的灵敏度和效率,设计光学天线增强对大气中微弱信号的收集能力。结合紫外光通信系统的实际工程背景,对光探测中的复合抛物面聚光器（CPC）进行旋转、平移、截顶和截底4种优化,并做了详细的计算、模拟与仿真;通过对不同优化方法的最大入射角、接收光通量效率以及入射角与采集率关系的计算分析,得出不同参数优化后的工程适用条件,即负向旋转法可用于视线直射远距通信,截底法适用于非视线散射近距通信,而截顶法可用来替换标准CPC并达到节约材料成本的目的。     

可折叠展开式伞状龙骨聚光器的聚光性能

针对可折叠展开式伞状龙骨聚光器具有自重低、功率高、比冲高、推力适中的特点,利用ANSYS和ZEMAX软件对功率为100 kW的可折叠展开式伞状龙骨聚光器在太空环境中的聚光性能进行模拟分析。在太阳风及衬底薄膜表面张力的影响下,伞面最大应力为1.66 MPa,远小于Kevlar材料及Ti-6Al-4V龙骨材料的阈值强度,伞面最大形变仅为0.941 mm,焦斑半径为6.37 cm,几何聚光比可达5 917,比标准抛物面仅减小了1.25%。结果表明:将材质轻、抗拉伸强度高的伞状龙骨结构引入可折叠展开式聚光器的设计方案,在很大程度上抵消了衬底薄膜材料表面张力及太阳风对聚光器工作形态的影响,可消除褶皱,提高可折叠展开式伞状龙骨聚光器的结构稳定性及可展开度,同时证明了伞状龙骨结构及Kevlar材料的选择是合理的。     

Optical efficiency of solar concentrators by a reverse optical path method

A method for the optical characterization of a solar concentrator, based on the reverse illumination by a Lambertian source and measurement of intensity of light projected on a far screen, has been developed. It is shown that the projected light intensity is simply correlated to the angle-resolved efficiency of a concentrator, conventionally obtained by a direct illumination procedure. The method has been applied by simulating simple reflective nonimaging and Fresnel lens concentrators.     

非视线散射大气光通信的光学天线

由于大气衰减的影响,非视线散射大气光通信需要使用光学天线以提高对光信号的采集能力,进而增加通信距离。针对非视线大气光通信的需求,利用ZEMAX软件对半球透镜、复合抛物面聚光器（CPC）和卡塞格伦望远镜等光学天线进行了性能分析。分析表明：半球透镜和CPC视场较大,增益值高。利用蒙特卡罗法模拟计算了一定条件下,非视线散射光通信在有无半球透镜或CPC作光学天线时到达探测元件的能量随通信距离的变化。结果表明：CPC聚光能力更强,适合作为非视线散射光通信的光学天线。     

基于SolTrace的线性菲涅尔式聚光器建模与仿真

利用几何光学原理推导了线性菲涅尔式聚光器在SolTrace软件中建模所需参数的计算公式，给出了建模方法。结果表明，对于反射镜列数为21列、宽度为0.38 m、长度为4 m，复合抛物面聚光器(CPC)最大接受半角为45°，接收器距反射镜所在平面5.3 m的线性菲涅式聚光器，随着太阳入射角的增大，集热管表面能流密度逐渐增大且分布更均匀；当太阳入射角大于40°后，能流密度和均匀度趋于稳定；CPC为渐开线+cusp reflector曲线比渐开线+抛物线的集热管表面能流密度更大且分布更均匀。该结果对线性菲涅尔式聚光器的推广应用具有指导意义。