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。     

倒梯形腔体接收器的结构设计及光学性能

针对槽式聚光系统,设计了一种倒梯形管簇式腔体接收器,采用理论研究、TracePro软件模拟以及实验的方法对腔体结构设计中某些几何参数对接收器的光学性能的影响进行分析及优化,并对其安装位置偏移对光学性能的影响展开研究。结果表明:倒梯形上壁面为弧面反射面可使光学效率提高近4%;随着开口角度增大光学效率逐渐增大,随着圆弧半径增大光学效率先增大后缓慢降低,开口角度65°与反射圆弧半径90 mm的组合结构具有较高的光学效率、较均匀的集热管壁能流以及较好的光热转化效率;腔体接收器安装在焦距垂直向下5 mm范围内可获得优于焦距处的光学效率;运用归一化温差和测试瞬时集热效率的方法得到槽式聚光集热系统的光学效率为73%,与模拟的理想值较吻合。     

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...     

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。     

多曲面槽式太阳能集热器的光线追踪分析

介绍了一种新型多曲面槽式太阳能聚光集热系统的工作原理,在计算机上进行三维建模,利用光学分析软件对该聚光集热系统安装平面型接收器和圆柱型接收器进行光线追迹分析,考察了接收器上的接收光束随入射光束角度的变化情况。通过追迹模拟,直观地再现了聚焦光线的分布、焦线宽度、偏心量和光线传输效率随入射偏角的变化。并对两种接收器类型产生...     

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。     

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。     

线性菲涅耳聚光系统柱面反射镜的优化与聚光特性

线性菲涅耳聚光系统采用柱面反射镜可提高聚光能力。本文提出一种柱面反射镜曲率半径的优化计算方法,建立了通用计算模型,详细分析了反射光线横向偏移的变化规律、系统瞬时光学效率和能流均匀性等。研究结果表明,柱面反射镜的最佳曲率半径与其宽度几乎没有关联,只需要考虑其与镜场中心的距离和系统有效工作时太阳横向入射角即可得到最佳值。通用计算模型所得的结果与数值精确计算的结果非常接近,最大偏差为1.26%,平均偏差为0.38%。在考虑柱面反射镜型面误差、跟踪误差和曲率半径误差的情况下,当横向入射角大于45°时,系统瞬时光学效率保持在59.46%以上。在聚焦平面的较小范围（相对距离为-0.05～0.05）内,能流密度高且均匀性较好,适合布置光伏电池组件。     

半抛物槽式聚光分频光伏系统的性能分析

设计了一种包含13层膜系的分频器,建立了考虑太阳张角影响的三维光学模型,研究了分频对半抛物槽式聚光光伏系统的光、热、电性能的影响,得到了系统能量的光谱分布及光伏电池平面能流密度分布.计算结果表明,系统对AM1.5太阳光谱的光学效率为58.7%,对不同聚光镜开口应选择最优电池倾角以获得最均匀的能流密度;采用分频可以降低电池温度提高聚光系统的聚光比以及光电转换效率.     

槽式集热器聚光过程误差因素耦合研究

在实际运行过程中,槽式太阳能集热器的聚光过程可能受到太阳光入射角、安装误差、镜面误差和跟踪误差等各种实际因素的影响。本文用空间坐标变换的方法结合蒙特卡罗光线追踪法,分别计算出了各种实际因素单独存在时和多种实际因素耦合时的槽式集热器热流分布。结果显示,安装误差和跟踪误差使聚焦热流的不均匀性增大,镜面误差使聚焦热流的不均匀性减小;计算出的实际因素耦合热流分布,可以为槽式集热器光学性能和热性能的分析提供依据。     

抛物碟式太阳能聚光器的聚光特性分析与设计

点聚焦碟式太阳能聚光反射器,应用光线追迹法模拟分析了存在太阳张角时,相同开口采光面积、不同形状的聚光器分别在相同焦距、相同边缘角情况下的聚光特性。考虑到太阳形状、开口采光面形状、抛物面焦距、抛物面边缘角及接收器的遮挡作用等几何因素,并结合旋转抛物面聚光器的光学特性,建立了模拟仿真的几何模型。采用光线追迹法直观地模拟了聚光接收面上的平均能流分布特性。为对聚光器的聚光特性进行定量评价,采用了面积效率因子的概念。模拟结果表明,采光面积相同时,等焦距的4种不同开口形状的聚光器具有相近的聚光能流比;等边缘角时,除圆形聚光器外的3种聚光器有较大光能损失。设计了多碟共焦聚光器,用低聚光比聚光器组合达到高倍聚光效果,并分析了聚光特性,为碟式太阳能聚光反射系统的设计和优化提供了参考。     

空间目标相对运动角参数的天基光学测量精度分析

利用在轨光学相机对空间目标进行跟踪测量,目标相对运动角参数的测量精度决定了空间目标的定轨精度。建立目标相对运动角参数测量计算数学模型,推导出相对运动角参数测量误差传递公式。通过对仿真计算结果的分析,确定出影响目标相对运动角参数测量精度的主要误差源:目标成像焦面坐标提取误差、光学相机视轴转动欧拉角测量误差与测量卫星姿态惯性角测量误差。其中,光学相机视轴转动欧拉角测量误差对相对运动角参数的测量误差影响最大,约占总误差的80%。观测条件对测量精度也有很大的影响,尤其在目标过顶时,相对运动角参数的测量误差显著增大。     

抛物面式太阳能聚能系统聚光特性模拟

结合集热器的光学特性,本文应用蒙特卡罗法对理想的槽型和碟型两种抛物面集热器在不同焦距、不同边缘角时焦面上的热流密度进行了计算,获得了焦距、边缘角和聚光比之间的关系。在考虑太阳不平行度、跟踪指向误差、镜面的反射误差条件下,对碟型抛物面太阳能聚能系统的辐射特性进行了数值模拟分析,获得了吸收器壁面热流分布以及边缘角对焦面热流分布的影响,为太阳能聚能系统的设计和安装提供参考依据。     

等光强分布的折平板反射聚光系统的实验研究

基于平板玻璃镜反射聚光获得等光强分布的方法,提出了折平板反射聚光太阳能系统的设计方案。推导了平行光聚光公式,可在给定接收截面宽度、倾角和安装高度时,给出一定聚光比所需的反射板数量、宽度、倾角及坐标位置;建立了CCD法测量能流密度分布的测试平台以及聚光光伏实验装置,并对折平板聚光系统进行了实验研究。结果表明,折平板玻璃镜聚光系统可以得到较为均匀的辐射能流密度,并且系统的发电效率也较高。     

一种大聚光比聚集太阳能流密度分布的红外反射测量法

为测量大聚光比聚集太阳能流密度分布,提出了一种基于红外热像仪和水冷朗伯靶的红外反射测量方法,并设计、研制了测量装置。在十六碟聚集器平台上,用该方法获得了清晰的聚集太阳能流分布红外图像。然后考虑太阳光锥、跟踪误差和面型误差,采用蒙特卡罗射线踪迹法对该十六碟聚集器的聚集能流密度进行数值模拟。通过对比实验结果与数值结果,明确该十六碟聚集器的面型误差为2.5mrad。为测量大聚光比聚集能流密度分布和评价聚集器面型误差参数提供参考依据。     

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。     

聚光模组二次光学元件优化设计与研究EI北大核心CSCD

聚光光伏模组中,二次光学元件对增加太阳能电池接收到的入射光能量,提高聚焦光斑均匀性和增大菲涅耳透镜接收角具有重要作用。设计了一种用于聚光光伏模组的全反射式二次光学元件,用Solidworks软件建立了三维模型,结合实际工程应用,借助Zemax软件光学模拟仿真手段,对二次光学元件的倾角和高度等重要参数进行了优化。并制作了不同参数的二次光学元件,配合菲涅耳透镜、太阳能电池,搭建了实物聚光发电单元,在太阳模拟器下进行I-V性能测试,结果表明当二次光学元件高度为6 mm,上圆直径为7 mm时,太阳能电池的输出功率达到最大值720 m W,与不加二次光学元件相比,输出功率提高了16%。说明该二次光学元件对提高聚光模组效率作用显著。     

对称型太阳能聚光集热系统吸热器能流分布的运动累加计算方法

基于太阳能聚光集热系统的几何对称特性,提出一种运动累加方法来计算吸热器的能流密度分布。采用光线跟踪方法,推导了吸热器表面能流分布的运动累加数学模型,此模型可以将光线跟踪过程转换为旋转运动或平移运动,避免大量求解光线与吸热器曲面的联立方程组。在Visual C++平台编制运动累加程序,计算了典型的碟式和槽式系统配置不同吸热器的能流密度分布,并与文献对比验证了该方法的正确性。结果表明,在碟式—腔式吸热器中,跟踪光线6.10×108根需112s,在结果符合的情况下可跟踪光线9.648×107根,这样仅需16s。运动累加方法的计算过程较简单,且具有一定的计算效率,可以为对称特征的聚光集热系统参数协同优化提供一定参考。     

聚光模组二次光学元件优化设计与研究

聚光光伏模组中,二次光学元件对增加太阳能电池接收到的入射光能量,提高聚焦光斑均匀性和增大菲涅耳透镜接收角具有重要作用。设计了一种用于聚光光伏模组的全反射式二次光学元件,用Solidworks软件建立了三维模型,结合实际工程应用,借助Zemax软件光学模拟仿真手段,对二次光学元件的倾角和高度等重要参数进行了优化。并制作了不同参数的二次光学元件,配合菲涅耳透镜、太阳能电池,搭建了实物聚光发电单元,在太阳模拟器下进行I-V性能测试,结果表明当二次光学元件高度为6 mm,上圆直径为7 mm时,太阳能电池的输出功率达到最大值720 m W,与不加二次光学元件相比,输出功率提高了16%。说明该二次光学元件对提高聚光模组效率作用显著。     

空间太阳电池槽式聚光热电联供系统特性分析

建立了空间太阳电池的热电联供系统在槽式聚光条件下的热电性能模型, 并与实验进行了对比.理论计算与实验结果吻合较好, 最大误差在5.1%以内, 证明了该数学模型的正确性.通过此数学模型, 从聚光镜面的光学效率与焦线宽度、导热胶的导热系数、金属平板光照面的吸收率等内部特性参数及风速、太阳直辐射等外部特性参数出发, 对所设计制造的空间太阳电池槽式聚光热电联供系统进行分析.较为全面而系统地分析了这些参数的改变对其系统的热电效率、总效率及火用效率等性能指标的影响, 其中聚光镜面的光学效率影响最大, 光学效率从0.5增加至0.95, 系统的总效率和火用效率分别增加0.9倍和0.5倍, 其余参数对性能也有较强影响.研究结果为新一轮系统装置的制作提供了优化设计基础.