聚光器聚焦光斑能流密度分布的测量与分析

采用基于CCD相机和朗伯靶的间接测量方法,对旋转抛物面聚光器焦平面和多个离焦面的能流密度分布进行了测量。研究了系统的标定方法,并对每个面内的光斑特性进行分析。结果表明：通过对各个接收面光斑特性的比较,可以判断聚光器真实焦点的位置;随着接收面离焦量的增大,光斑直径变大,能流密度峰值减小,形状越来越不规则。这项研究为聚光系统的热利用和接收器的设计提供了依据。     

旋转抛物面聚光器焦面能流分布的有限元分析

提出一种计算太阳能聚光器聚光焦斑能流密度分布的新方法。在考虑太阳形状、聚光器表面形状误差、跟踪误差、接收器位置误差、漫反射及接收器遮挡作用等各项光学误差和影响因素的基础上,结合旋转抛物面聚光器的光学特性,采用有限元法对焦面能流密度分布进行计算,并与文献中的结果进行比较,证明了该方法的正确性和可行性。同时又对半球形接收器和圆柱形接收器进行了实例计算,结果表明该方法不受聚光器或接收器面型的限制,算法简单,通用性也较强,从而为系统的优化设计和能流密度的测量奠定基础。     

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。     

太阳能聚焦光斑能流密度测量方法评估

为了确定一种新型间接测量太阳能热发电系统聚焦光斑能流密度分布方法的测量误差范围,对其进行了进一步研究。从理论公式出发,分析了该测量方法的误差源;使用球面小定日镜、CCD相机、漫反射板、中性密度滤光片等设备进行了能流密度测量的实验,使用MATLAB软件对实验数据进行处理,得到了漫反射板上聚焦光斑的能流密度分布和总能量;实验时借助全站仪测量并计算了定日镜中心的光线入射角,根据定日镜的面积和反射率、太阳直射辐射值、余弦效率等计算了光斑能量的理论值,并与测量得到的聚焦光斑总能量比较,得出了实验条件下该方法测量光斑总能量以及能流密度的相对误差为3.5%。该测量误差在允许范围内,进一步证实了该能流密度测量方法的正确性和可行性。     

塔式太阳能热发电系统聚焦光斑能流密度的检测方法

提出了一种新型的基于间接测量原理的塔式太阳能热发电系统聚焦光斑能流密度的检测方法。该方法不需要使用量热计或能流密度探测器,使测量过程得以简化。利用同一部相机,在完全相同的相机参数设置下,拍摄太阳和聚焦光斑的图像,根据当前的太阳直射辐射值,标定相机的像素灰度值与聚焦光斑能流密度值的比例因子,进而得出聚焦光斑的能流密度分布。详细阐述了该方法的测量原理,搭建了实验平台,并测量了一面小定日镜聚焦光斑的能流密度分布,验证了该方法的正确性和可行性。实验结果表明,该方法测得的峰值能流的相对误差小于5%,而系统的重复性误差约为1%。     

三结太阳电池在非均匀光照下光斑强度和覆盖比率的优化研究

高倍聚光光伏组件通常采用光电转化效率较高的三结太阳电池.由于聚光器件的非理想性,电池承受的光照分布通常是高度非均匀的,在光伏组件中可通过适当增大光斑与电池面积的比率来降低光照非均匀性对电池电学性能的影响.通过对某一特定三结电池进行电路网络建模计算,分析光斑的强度分布和照射面积对电池的影响,并对比了四种设计方案(均匀光照、非均匀光照、电池效率最大、组件效率最大)下的光斑强度、光斑大小、电池效率以及电池温度分布.对比分析结果表明,组件达到效率最大时的电池效率并不是电池在标准测试条件下的最大效率,而使电池工作在效率最大值的设计方案中组件效率最低.组件效率最大方案中使用的聚光器透镜面积较小,因此该方案将导致组件成本增大.电池效率最大方案中使用的聚光器透镜面积较大并且电池温度最低,故该方案组件成本较低且可靠性较高.这表明在实际组件设计中应充分考虑对发电量的实际需求,选择合适的几何聚光倍数和光斑覆盖电池的比率.     

基于相同参数抛物镜面旋转阵列的太阳能槽式聚光器聚焦特性研究

提出了一种基于相同抛物镜面单元旋转阵列的低成本新型槽式聚光器。采用光线跟踪方法建立了该聚光器的光学分析模型,并详细研究了镜面焦距（f）、镜面宽度、平面接收器位置、旋转阵列半径（R₁）和旋转阵列数量（N）等关键参数对其聚光性能的影响规律,为其设计与应用提供了重要依据。研究结果表明：新型槽式聚光器能很好地汇聚太阳光能,并且它不同于传统抛物槽式聚光器将平行光汇聚于某点,而是有所“分散”地进行汇聚,具备实现平面接收器上均匀聚焦能流分布的潜力;聚焦光斑的合理接收位置会随旋转阵列半径的改变而变化,通常接收器位于旋转阵列半径的一半位置是合适的,但要获得最小聚焦光斑则需将其下移150～200 mm;聚焦光斑宽度随镜面编号呈指数增大关系,特别是当镜面宽度较大且旋转阵列半径较小时;旋转阵列半径越大或镜面宽度越小,聚焦能流分布越集中且峰值聚光比越大（算例中已达到50）,此时聚焦能流基本呈高斯分布特征。此外,采用较小旋转阵列半径可降低接收器的安装高度并改善能流均匀性。在算例中,当f=8000 mm、R₁=4000 mm、N=5且接收器位于1830 mm位置时,聚焦光...     

积尘对槽式太阳能聚光器焦面能流密度分布的影响及聚光优化

为研究灰尘对槽式太阳能聚光器光学效率和金属管能流分布的影响,从理论上分析了积尘对聚光器光学效率的影响,对槽式太阳能聚光镜积尘工况进行了模拟,应用蒙特卡罗光线追迹法和有限元体积对抛物槽式集热系统传热进行了分析,得到了金属管周向温差(CTD)和能流密度分布。结果表明,积尘对反射光线方向和金属管壁面能流影响较大,由积尘改变壁面能流密度的分布对CTD有一定影响。针对CTD对抛物槽式集热系统的影响,提出了在常规抛物槽式集热器基础上添加一个二次均光反射镜的方法,二次反射镜的添加使金属管周向能流分布趋于均匀,并使金属管的CTD显著降低,减小了积尘工况对聚光集热系统的影响,这一方法为抛物槽式太阳能聚光系统的优化提供了参考。     

非共轴椭球面聚光阵列式高焦比太阳模拟器

为使太阳模拟器的接收靶得到高能流高均匀度光斑,需要对聚光系统进行优化设计。提出利用非共轴椭球面聚光镜优化光斑质量的方法,使光斑的能流分布均匀度有明显改善。利用蒙特-卡罗光线追迹方法,设计了聚集型高焦比太阳模拟器。在第二焦面处,80mm直径的接收靶面上可接收10kW的辐射光能,光斑对称性和均匀性好,系统的传递效率为23.81%,80mm直径靶面内的平均能流密度为2MW/m2,50mm直径靶面内平均能流密度达到3.64MW/m2,对应的理论色温超过2800K。采用非共轴椭球面聚光镜,成功研制了由电源控制系统、冷却系统、氙灯光源和聚光系统构成的太阳能模拟器。经实验测试,太阳模拟器的聚光光斑与光学仿真软件TracePro模拟光斑符合得很好。     

碟式聚光器焦平面温度场的实验测试研究

高品位太阳能的利用是当今世界太阳能利用的热点,针对太阳到达地面能流密度低的特点,需要采用聚焦的方式加以利用。为了能使入射的太阳能得到更为有效的利用,对聚集到接收面上的能流进行合理的分配非常必要。本文设计制作了一个直径为500 mm的温度测试盘,并将其安装于碟式聚光器上,利用铠装热电偶对该聚光器焦平面上的温度分布情况进行了实验测试,为后期优化设计吸热器提供了参考和依据。     

Vacuum arc cathode spot grouping and motion in magnetic fields

Two of the important vacuum arc phenomena observed when the arc runs in a transverse magnetic field are cathode spot grouping and the cathode spot retrograde motion, i.e., in the anti-Amperian direction. This paper summarizes the main experimental observations and proposes a physical model for spot grouping and spot retrograde motion. The proposed spot motion model take in account the previous theoretical model of the cathode thermal regime and the plasma flow near the cathode surface that is based on two conditions: i) the heat loss in the cathode bulk is relatively small to the heat influx, and ii) the plasma flow in the Knudsen layer is impeded. In the present model, the current per group spot is calculated by assuming that the plasma kinetic pressure is comparable to the self-magnetic pressure in the acceleration region of cathode plasma jet. The model includes equations for the current per spot group, spot velocity dependence on the magnetic field and on the arc current in vacuum, as well as in gas filled arc gap. The calculated currents per spot group and spot velocity increase linearly with the magnetic field and arc current, and this dependencies well agree with previous observations. The cathode spot retrograde motion in short electrode gaps and at atmospheric pressure arcs, and the reversal motion in strong magnetic fields (>1 T) observed by Robson and Engel are discussed. The details of the retrograde motion observed in the last decades including the spot velocity dependence on the electrode gap, roughness, temperature, and material could be understood in the frame of the proposed model.     

结霜工况下翅片管式蒸发器的仿真与实验研究

建立了结霜工况下蒸发器的仿真模型,利用Matlab编制了蒸发器的稳态分布参数仿真程序,包括界面程序、计算主程序及热物性计算子程序等,对蒸发器进行了仿真计算。搭建了低温冷库实验台,通过实验研究,得出了制冷剂流量与蒸发器中各参数的变化关系。将实验结果与仿真结果进行了对比,结果表明:实验数据与仿真结果数据的相对偏差较小,且变化趋势一致。     

考虑互连温度分布的缓冲器插入延时优化方法

针对VLSI设计中存在的互连电感效应、热电耦合以及互连温度分布的问题,提出一种缓冲器插入延时优化方法.首先根据互连温度分布的特点得出其电阻模型和延时模型,通过延时、功耗和温度之间的热电耦合效应求得考虑互连温度分布的缓冲器插入最优化延时,利用Matlab软件求得最佳优化结果.采用该方法针对45 nm工艺节点的缓冲器插入进行分析和验证,证实了方法的有效性.研究表明,忽略互连电感效应会高估芯片的优化延时,忽略互连温度分布会低估芯片的优化延时,在全局互连尺寸较小(线宽为245 nm)时,忽略互连温度分布会低估互连延时8.71%.     

Effect of laser spot size on fusion neutron yield in laser--deuterium cluster interactions

The effect of the laser spot size on the neutron yield of table-top nuclear fusion from explosions of a femtosecond intense laser pulse heated deuterium clusters is investigated by using a simplified model, in which the cluster size distribution and the energy attenuation of the laser as it propagates through the cluster jet are taken into account. It has been found that there exists a proper laser spot size for the maximum fusion neutron yield for a given laser pulse and a specific deuterium gas cluster jet. The proper spot size, which is dependent on the laser parameters and the cluster jet parameters, has been calculated and compared with the available experimental data. A reasonable agreement between the calculated results and the published experimental results is found.     

强聚焦条件下连续位相板散斑特性的矢量分析

连续位相板(CPP)经过透镜聚焦后,在焦平面上形成一个散斑场,散斑场的统计性质决定了CPP的束匀滑特性。当使用大数值孔径透镜聚焦后,傍轴近似不再成立,因此分析CPP焦斑特性时标量衍射理论不再适用。采用Richard-Wolf矢量衍射理论对强聚焦条件下的CPP焦斑进行了计算,在此基础上分析了矢量焦斑场的统计特性,讨论了焦斑的轮廓。结果表明,由于非近轴的原因,矢量分析得到的焦斑尺寸略大,且通过矢量分析后能够得到z轴方向的光场分量。散斑场的振幅分布满足瑞利分布特性,强度分布满足负指数分布特性,且矢量合成方向的光强分布会略微偏离负指数分布特性。     

脉冲激光引起铜膜镜面的环形损伤波纹研究

 用波长1.06μm、半高宽10ns的脉冲Nd:YAG激光辐照铜膜镜面，在激光辐照区，用光学显微镜观察到有规律的环形波纹状损伤图案，波纹平均周期约几十μm。通过对光路系统分析，认为样品前的小孔光阑对激光产生了菲涅尔衍射，使得在样品表面光强分布变成周期性环状分布。在极短的相互作用时间内，热扩散很小，损伤图案依赖于光强分布。并依据实验参数，用柯林斯公式对样品表面的光强分布进行了计算，所得光强分布的周期与损伤波纹的周期基本一致。     

激光重熔对Al-Si合金快速凝固共晶生长的数值模拟

本文通过数值模拟,计算出Al-Si合金共晶共生区,达到对实际加工中激光处理参数的优化。数学模型从计算物体表面温度场三维分布入手,考虑到激光空间Gaus分布特性,得到物体表面温度梯度分布;同时结合枝晶分布KGT模型以及共晶分布经修正的TMK模型,计算了微观结构的共晶生长的范围,得到一个完整的从激光重熔到共晶生长的计算模型。     

CCD中激光光斑的全饱和单侧拖尾现象

利用532 nm连续激光辐照以东芝TCD1200D型线阵CCD为图像传感器的扫描相机进行实验,在相机输出视频中发现了光斑拖尾的现象,拖尾有限长、全饱和并且仅在光斑一侧。分析排除了光分布造成拖尾的可能原因。其单侧、有限长的特点不符合像素溢出或漏光造成的拖尾,而与转移损失造成的拖尾一致。但其全饱和的特点,不符合目前转移损失率的常数模型。针对当前体沟道CCD的内部结构和工作原理,提出了一种转移损失率随电荷量变化的模型,对新发现的全饱和单侧拖尾进行了解释。     

非层流无碰撞模型计算LIA焦斑尺寸

 在束流轨迹方程基础上，建立了非层流无碰撞数值模拟模型，并在模型中考虑了束流空间电荷效应、发射度、能散、束心Corkscrew运动、束流横截面分布不均匀等诸多因素，编制数值模拟程序对强流相对论电子束经过磁透镜的轨迹进行了计算。计算结果表明：子束流层数一定时，焦斑直径波动在0.03 mm范围内；随子束流划分层数的不同，计算所得焦斑直径的最大不确定度为±0.05 mm，而焦距几乎不变化，其波动在0.08 cm范围内；随子束流划分层数的增加，焦斑直径计算结果是收敛的，最终收敛值约为1.03 mm。实验得到的焦距为23.2 mm，焦斑直径1.3 mm，实验结果表明焦距绝对误差在3.5 cm范围内，焦斑直径绝对误差在0.4 mm范围内。