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%。     

太阳能真空管作为吸收体的复合抛物聚光器的无间隙漏光损失研究

基于非成像光学边缘光线原理与几何光学反射定律,针对圆形吸收体构建了无间隙损失复合抛物聚光器(CPC)面形结构的数学模型,并通过程序计算获得了等长反射面的数值解。采用可见激光实验装置对无间隙损失CPC模型进行了验证,结果表明,数值计算的光线路径与激光实验光线路径吻合。此外,单对等长反射面的无间隙损失CPC具有最大的单个等长反射面长度,且恰好为吸收体的半径。当等长反射面对数从单对增加到6对时,单个等长反射面长度从23.50 mm降低至7.65 mm。在实际应用过程中,等长反射面的对数不宜过多。     

吸收体形状对太阳能复合多曲面聚光器光热性能的影响

近年来,室内定位算法吸引了大量的关注和研究。为了改善现有定位算法的复杂度以及精确度等问题,提出了一种先利用Elman神经网络进行室内位置预测,使用加权K近邻算法(WKNN)对预测结果进行修正的可见光室内定位算法。该算法应用在由单LED灯作为发射器,4个水平光电探测器(PD)构成接收器的室内定位系统中。4个水平光电探测器分别位于接收器的4个角,待测位置位于接收器的中心。通过两个Elman神经网络分别预测待测点的横坐标和纵坐标来确定待测点的初步位置,找出定位误差大于神经网络预测平均误差的待测点,用加权K近邻算法进行修正来确定待测点的精确位置,将修正后的精确位置更新到整体待测点的位置中。仿真结果表明,在3.6 m×3.6 m×3 m的室内环境下,本研究算法的平均定位误差为7.13 cm,平均定位时间为0.24 s。     

吸收体形状对太阳能复合多曲面聚光器光热性能的影响

为降低复合多曲面聚光器的建造成本并提高其对太阳能的利用效率,选用内嵌吸收体的单层玻璃管作为复合多曲面聚光器的光热转化部件,重点研究了单层玻璃管中不同形状吸收体对复合多曲面聚光器光热性能的影响机理。首先,在光学仿真软件TracePro中建立了光学模型,并基于蒙特卡罗算法模拟分析了吸收体形状对聚光器光学性能的影响机理。然后,分析了吸收体形状对聚光器出口温度、瞬时集热量和光热转化效率的影响。结果表明,在相同入射偏角下,“*”形吸收体接收到的光线数多于矩形网状吸收体。当入射偏角为0°～20°时,内嵌“*”形吸收体的聚光器的平均光线接收率和平均聚光效率分别比内嵌矩形网状吸收体的聚光器增加了7.37%和6.66%。在晴好天气条件下,内嵌“*”形吸收体的聚光器的平均出口温度、平均进出口温差、平均瞬时集热量和平均光热转化效率分别为48.5℃、23.2℃、467.5 W和54.85%,分别比内嵌矩形网状吸收体的情况提高了43.07%、31.82%、29.83%和24.52%。     

基于吸热管反射成像法测量抛物槽式太阳能聚光器的面形误差

为提高抛物槽式太阳能聚光器的聚光效率,需要对聚光器的整体面形进行检测和调整。提出采用吸热管反射成像法检测槽式聚光器各子镜的安装位置及倾斜角度,进而获得聚光器的整体面形信息。通过测量相机与被测聚光器的相对位置,可计算吸热管在待检测子镜中的成像位置及形状,并推导了吸热管在聚光器中的理论成像位置计算公式。进行了吸热管反射成像法检测槽式聚光器面形的实验。通过调整聚光器子镜的安装位置和倾斜角度,使吸热管在子镜中的实际成像位置与理论位置重合,验证了检测方法的正确性和可行性。     

矩形管吸收体均匀聚光器光学性能

提出了一种具有矩形管吸收体的均匀聚光器(USC-RT),建立了USC-RT反射面的数学模型,并进行了求解验证。针对USC-RT的能量转换过程建立了光学模型,以一个集热面积为10 m~2的USC-RT为研究对象,基于SMARTS模型通过全年能量的模拟计算对该集热器的旋转角和倾角进行了优化分析。结果表明USC-RT的最佳旋转角为0°(沿南北方向放置),给出了USC-RT在不同调节方式下的最佳倾角和最佳光学效率。当USC-RT全年固定倾角、每个季度调整一次倾角以及每个月调整一次倾角时,不同纬度地区集热器平均获取的最佳年总光学效率分别为92.0%、96.8%和98.1%。USC-RT的最佳年总光学效率显著高于东西水平放置时的年总光学效率,且在高纬度地区也显著高于南北水平放置时的年总光学效率。     

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%。     

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

针对吉林一号某轻型空间遥感相机的任务需求,以碳纤维复合材料的薄壁筒与桁架杆一体式成型为设计思路,基于拓扑优化、尺寸优化以及铺层优化设计了一种高稳定性的次镜支撑结构。工程分析和实验结果表明一体式碳纤维次镜支撑结构具有较好的结构稳定性,整体质量仅为1.3 kg,其在轨成像质量良好,这进一步验证了一体式碳纤维次镜支撑结构的可靠性和设计方法的正确性。     

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...     

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。     

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%.     

基于全等聚光面太阳翼接收太阳辐射的特性

针对太阳翼工作特征,设计了一种截断复合平面聚光器,并通过耦合实时日地距离、地星空间关系以及太阳辐射理论,构建了太阳翼接收太阳辐射模型。研究采用编程计算、仿真模拟和实验验证相结合的方式,结果表明复合平面聚光器的聚能特性与理论预测结果趋于一致。电池板表面太阳辐照度平均绝对误差仅为0.04 W/m²,卫星受晒特征时间平均绝对误差为18.2 s。太阳翼理论发电功率峰值相较于常规太阳翼提升了约87%,且接收半角内电池板表面能流密度平均均匀度达到了0.615。研究结果可为太阳翼的结构设计与优化提供参考。     

平板型太阳能聚光器的无漏光设计

针对平板型太阳能聚光器中出现的漏光问题,提出了无漏光聚光器的设计方法.该方法结合简单的数学计算与折射定律、反射定律推导出光线在光波导板中无漏光传播的最大距离理论公式,建立了无漏光聚光比与空气隙结构张角角度、主聚光器高度和宽度之间的数学模型,利用控制变量法分析了无漏光聚光比与各参数之间的关系.运用光线追迹软件对所设计的平板型无漏光太阳能聚光器进行光线追迹模拟,结果表明:在模拟光源选择存在0.27°的发散半角的太阳光源条件下,考虑光线在透射面处的菲涅耳损失和光学材料的吸收,在无漏光范围内实际最大聚光比达到698×、857×和1 032×时的聚光效率分别为88.2%、85.3%和80.2%;超过无漏光范围后随着聚光比进一步增大聚光效率下降较平缓.     

复合椭球腔太阳能聚光均匀线光源设计

为了实现太阳光直接泵浦板条高功率激光器,对均匀线形高功率密度泵浦源进行研究。本文提出由一级聚光系统与7个共焦点椭球叠加形成二级聚光系统(复合椭球腔),组合实现高功率密度均匀线光源的设计方法。每个椭球可对圆形第一焦斑进行等辐射通量分割,镜像成像特点使得峰值功率密度未明显下降,分解后镜像光斑在第二焦点处形成均匀线光源。通过坐标变化给出等辐射通量数学模型,利用退火算法求解出每个椭球旋转平移参量。由半径为30 mm,焦距为70 mm菲涅尔透镜和a=3.4 mm,c=3.15 mm单椭球腔组成一级系统,附带二级复合椭球腔聚光系统,可实现有效长度为12 mm,峰值功率密度为1.09×10⁶ W/m²,均匀度为95.46%线光源。对比每个椭球参量对均匀度贡献,中间椭球旋转参量θ为1.4°,均匀度改善明显,边缘椭球参量Δ改变对线光源有效长度影响显著,其最佳值为0.53 mm。     

抛物槽式太阳能集热器集热实验及模拟研究

本文采用真空集热管在抛物槽式太阳能平台上进行了实验研究,传热工质为YD300型合成导热油。实验测定了该集热管的散热损失,并数值模拟了吸热管表面的能流密度分布。以此为边界条件研究了该集热管的换热性能。结果表明,循环工质温度和环境温度之差为180℃时,散热损失为220 W/m;该集热器吸热管表面圆周方向能流分布集中,流量对温度分布影响较大,当太阳直射辐照为1000 W/m~2,导热油温度为200℃,流量为0.5 kg/s时,吸热管圆周方向最大温差50℃左右,当流量增加到2.0 kg/s时,最大温差减小到20℃左右。     

增加复合抛物面聚光器(CPC)最大聚光角的几种方法及结果比较

本文简单阐述了复合抛物面聚光器(CPC)的结构与设计原理,介绍了三类增加CPC最大聚光角θmax的方法:平移、截底和旋转,给出了各方法中最大聚光角θmax随几何尺寸变化的计算公式.对不同聚光比的实际CPC,给出了.在三类方法变化情况下,最大聚光角增量δθmax随几何变量的变化曲线,并对影响CPC最大聚光角变化的关键因素进行了讨论与分析.     

近红外无创生化分析中高效双复合抛物面聚光系统设计

近红外无创生化分析中,要获得准确的血液生化成分信息,需要非常高的系统信噪比。为提高分析系统的信噪比,开展了以增大系统光能利用率为目标的高效双复合抛物面聚光(DCPC)系统研究。首先,针对近红外无创生化分析中光学系统集光要求,研究了复合抛物面聚光器(CPC)出射光特点,确定出一级CPC最大聚光角范围。然后,通过比较标准型和截短型DCPC光能利用率变化,优化出最佳结构参数。最后,结合皮肤组织光学参数,计算了入射光波长为1 000nm时,DCPC系统、CPC-聚焦反射镜系统以及无光学收集系统的光能利用率。结果显示,三种系统的光能利用率分别为1.46%,0.84%,0.26%。设计的DCPC系统增强了对人体漫反射光的收集能力,可有效提高无创生化分析系统的信噪比及整体分析精度。     

H_2O/C复合微粒子群的光学截面及红外发射率光谱的计算

本文利用 A.L.Aden和 M.Kerker微粒子 Mie散射理论 ,计算了 H2 O/C复合微粒子群的光学截面 ,对混合后的 H2 O/C粒子群的发射率光谱进行了计算