菲涅耳碟式聚光器性能分析与设计

发布时间：2020-08-07 00:33

【摘要】：对于太阳能中温热利用系统,研发出具有价格竞争力的聚光集热器是其能否得到应用推广的关键。碟式聚光镜群具有较高的余弦效率,没有阻挡损失,镜场光学效率卓越。而传统的抛物碟式聚光器在加工、安装调试,或能流密度的均匀性方面均存在一定缺陷,使得碟式系统的成本一直居高不下。基于以上背景,本文提出了一种快速定姿的菲涅耳碟式聚光器的模型和定姿算法,成本低、显著简化了聚光器安装时的调光过程,可灵活布置利用碎片化闲散空间建设分布式可再生能源系统。论文主要从以下几个方面展开了理论分析与探索:(1)提出了菲涅耳碟式聚光器镜面模型,以多圈环形阵列排布的平面子镜替代抛物型镜面,解决了碟式聚光器对镜面特殊制造需求而带来的高成本问题。对菲涅耳碟式聚光器,分析子镜尺寸、圈数、子镜数目对聚光器性能的影响。结果表明:聚光器半径一定时,子镜尺寸越小,圈数越多,几何聚光比越高,并且聚光比随圈数增加的速度越快,但是成本也相应增加。(2)提出了一种快速确定菲涅耳碟式聚光器子镜姿态的算法,计算出各圈子镜的最佳内倾角,使该圈子镜在焦平面上形成的焦斑半径达到最小值。认为当子镜中心点反射太阳光锥所形成的焦斑半径为最小值时,该圈子镜在焦平面上形成的焦斑其半径也达到最小值,即我们可通过子镜中心点的反射光束大小来确定各圈子镜的最佳内倾角。(3)分析菲涅耳碟式聚光器焦平面上的能流密度分布特征,TracePro光学软件模拟不同倾斜角、吸热器高度下,各圈子镜的焦斑变化,焦斑仿真分析结果验证了算法的正确性。对已经得到的焦平面能流密度进行性能分析。当吸热器高度为1349mm时,焦平面上98.7%能量分布在半径为112mm范围内,能量分布相对均匀。(4)对菲涅耳碟式聚光器的支撑结构以及反射镜面的调焦系统进行构造设计。只需要在初始状态时,保证所有平面子镜精确调整在同一平面内,聚光器就能够同步完成所有子镜倾角设置,而不是各子镜倾角逐面设置,实现聚光器的快速精准调姿。调姿完成后,调焦杆件拆除,同一套调焦机构可多次重复使用,成本降低。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK513.1
【图文】：

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热利用方式能热利用领域，按照行业内大多数人认同的温度区域划分方法度区间目前没有统一的划分，此处采用常用的划分区间），可以分温太阳能利用和高温太阳能利用[1]，如表 1-1 所示。表 1-1 太阳能热利用温区划分太阳能热利用形式温度范围/°C低温太阳能利用 <80中温太阳能利用 80~250高温太阳能利用 250~600太阳能利用在低温利用领域（<80°C）已得到广泛使用，其应用领域包括太房、热水器等。在太阳能低温热利用系统中，集热器是决定成本此在太阳能低温利用领域，主要发展研究方向是寻求降低集热率，以及简化调试安装的方法。图 1-1 为太阳能热利用区间图

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回热器接收器聚光器燃气轮机燃烧室压缩机(c)碟式系统组成示意图 (d)线性菲涅尔系统示意图 1-2 各类热发电系统示意图碟式热发电系统又称为盘式系统，主要由热机系统、聚光器、跟踪分组成，其动力供给完全来自抛物面聚光镜对太阳光聚焦而产生发电系统光学聚光比可达 600-3000，工作温度可达 800°C[7]。碟式长，灵活性强，安装相对方便，因此碟式太阳能系统可用于分布的电力缺乏的地区的小型电源，功率可达到 10-25kW；也可以将型的太阳能热发电站，用于集中式发电；或者利用太阳能联合天座类似常规能源发电的混合连续发电系统[8-9]。图 1-3 为位于美国式发电站 Maricopa，，由单机容量为 25kW 的 60 台斯特林碟式热

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2）基于多平面菲涅耳碟式聚光器的几何构造，提出了一种确定聚光器子镜，计算子镜的最佳内倾角，使该圈子镜在焦平面上形成的焦斑半径达到最小3）对太阳光束进行跟踪，研究菲涅耳碟式聚光器焦平面上的聚焦能流密度析不同倾斜角、吸热器高度下，各圈子镜的焦斑变化，验证调焦算法的正确得到的焦平面能流密度进行性能分析。4）对菲涅耳碟式聚光器的支撑结构以及反射镜面的调焦系统进行构造设计器能够同步完成所有子镜倾角设置而不是各子镜倾角逐面设置。究技术路线文通过理论分析和软件模拟相结合的方法对一种新型子镜共面、同步调姿的聚光器进行了研究。首先应用几何光学原理，设计了该聚光器的镜面模型，式聚光器进行理论分析；基于太阳运动轨迹的计算，提出确定子镜姿态的算各圈子镜的最佳调姿内倾角；然后，利用 TracePro 光学分析软件验证了算法并对聚光器的聚光特性进行了分析。最后，基于 ProE 软件对聚光器进行构究方法流程图如图 1-5 所示。

【参考文献】