基于碟式的太陽能二次反射及其分頻系統(tǒng)的數(shù)值模擬和實驗研究.pdf

1、太陽輻射能具有能流密度低、不穩(wěn)定和光譜分布范圍寬等特點，因此聚光技術、蓄熱技術和分頻技術分別是太陽能研究者研究的關鍵性問題之一。針對上述問題，本文以太陽能碟式熱發(fā)電系統(tǒng)的研究為背景，對太陽能二次反射下聚光-熱發(fā)電系統(tǒng)光路的優(yōu)化設計及新型聚光-分頻系統(tǒng)的光路設計展開了相關的數(shù)值模擬和實驗研究。
　　本文的研究工作主要包括:
　　①對五種二次反射系統(tǒng)進行理論推導、數(shù)值模擬和比較;
　?、诮⑿D雙曲面上半支型二次反射系統(tǒng)的

2、三維光學模型并編程，討論各種誤差對系統(tǒng)聚光效果的情況;
　　③搭建太陽能二次反射下聚光試驗臺，建立聚光鏡鏡面測量系統(tǒng)和光斑測量系統(tǒng)，開展鏡面掃描、光路驗證和光斑測量等實驗并分析;
　?、茉O計一種新型分頻器，建立二次反射聚光-分頻系統(tǒng)的光學模型并編程，討論各種誤差對系統(tǒng)聚光效果的影響;
　　⑤對太陽能二次反射下聚光系統(tǒng)和二次反射聚光-分頻系統(tǒng)進行系統(tǒng)分析和比較。
　　在數(shù)值模擬方面，運用ASAP軟件，分別對平面型、

3、旋轉橢圓面型、旋轉雙曲面上半支型、旋轉雙曲面下半支型和旋轉拋物面型等五種二次反射系統(tǒng)建立幾何模型、進行數(shù)學推導并模擬，討論一次鏡邊緣角、二次鏡數(shù)值孔徑、焦點相對位置等幾何參數(shù)對二次鏡相對位置、二次鏡直徑、遮光率、光斑直徑、能量聚光比等的影響。在此基礎上，得出適合本實驗室研究思路的二次反射系統(tǒng)類型為旋轉雙曲面上半支型。對該系統(tǒng)建立三維光學模型，根據(jù)蒙特卡洛法編寫光路追蹤程序以研究聚光光斑的能流密度分布，討論太陽形狀、跟蹤誤差、安裝誤差等因

4、素對系統(tǒng)聚光比、光斑直徑、光斑偏移的影響。
　　在實驗方面，搭建了一米的和三米的碟式二次反射系統(tǒng)，通過鏡面測量系統(tǒng)得到二次反射系統(tǒng)的鏡面模型，結合程序對實際鏡面模型進行分析;對一米碟式二次反射系統(tǒng)的光路驗證結果與模擬結果吻合良好，證實了鏡面測量系統(tǒng)的正確性。搭建了光斑測量系統(tǒng)，分別對一米和三米的二次反射系統(tǒng)的聚光情況進行了實驗測量和誤差分析，一米系統(tǒng)的聚光效果理想，三米系統(tǒng)的聚光鏡面需要改進。
　　本文還設計了一種新型的分頻

5、器，可以將分頻后的兩束光斑均反射至一次鏡下方。對該新型二次反射聚光-分頻系統(tǒng)的光路進行了推導，建立三維數(shù)學模型并編寫模擬程序，討論太陽形狀、跟蹤誤差、安裝誤差等因素對系統(tǒng)聚光比、光斑直徑、光斑偏移的影響。
　　最后，對可蓄熱的碟式二次反射下聚光斯特林發(fā)電系統(tǒng)和分別以Ⅱ-3B聚光光伏電池和外燃式熱機為光伏和光熱利用元件的聚光-分頻電熱聯(lián)用系統(tǒng)建立分析模型，計算結果表明，碟式二次反射下聚光系統(tǒng)效率為21.3％;對電熱聯(lián)用系統(tǒng)。當ηth