多圈菲涅尔定日镜的分析与设计

作     者：袁瑀浩 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：匡荛;许红胜

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：子镜 面型 设计参数 倾斜角 

摘      要：在塔式太阳能热发电系统中,定日镜的成本占比巨大,大约占40%～50%。为了保证定日镜的光学性能,并进一步减小成本,本文在定日镜研究进展的基础上,提出了一种平面子镜组成的多圈菲涅尔定日镜的构造方式,并从如下几个方面进行了研究:通过对传统定日镜尺寸、面型、以及其他相关参数的分析,结合一种伞状机械结构,建立了单圈菲涅尔面型的定日镜模型。利用该伞状机械结构,能完成对多面子镜的同步倾斜调试,减小了调试时间和人工成本。通过TracePro的光学模拟分析了该定日镜的光学性能,结果表明:该装置能减小定日镜像散,调试后的聚光比是调试前的6倍左右。利用CAD的三维建模完成了对原型机的机械设计,在南京地区进行了聚光实验,实验结果与模拟结果接近,验证了该定日镜方案的可行性。为了进一步提高光学性能以及减小子镜的均摊成本,利用Solidworks建立了多圈菲涅尔定日镜模型。分析了子镜参数对定日镜光学性能和成本的影响,结果表明:采用正方形子镜组成的圆环形阵列,可以使得该定日镜子镜之间具有较小的缝隙率,且能降低子镜的均摊成本;子镜尺寸越小,几何聚光比越高,同时也使得子镜数目增加,导致对应的支撑结构增加,支撑和调姿装置成本上升。为了确定不同工况下定日镜各圈的最佳倾斜角,通过几何分析,提出了一套计算倾斜角的算法,利用Matlab的不断迭代计算,得到各圈最佳倾斜角的值。当定日镜最外圈处于最佳倾斜角时,发现通过伞状结构调整其余各圈形成的焦斑尺寸,可以使得吸热面能流密度更加均匀。光学性能方面,比较了最佳倾斜角状态下的菲涅尔定日镜与理想球面定日镜的差异性,结果表明:菲涅尔定日镜的焦斑尺寸随入射角变化更加缓慢,在小入射角时,焦斑尺寸大于球面定日镜,随着入射角逐渐增大,与球面定日镜接近。为了分析实际镜场中定日镜各圈最佳倾斜角的影响因素,引入了设计入射角的概念,结果表明:不同设计入射角时各圈最佳倾斜角的波动范围都在±0.05°以内,即最佳倾斜角的值与设计入射角几乎无关,只和定日镜所处的具体镜场位置相关;距离吸热面越近处的定日镜,定日镜各圈的最佳倾斜角越大且倾斜角的精度要求越低。研究了定日镜焦斑尺寸的变化规律和影响因素,结果表明:定日镜焦斑尺寸随着入射角的增大而增大,在入射角大于30°后增速剧烈,在低于20°时增速缓慢;定日镜焦斑尺寸主要取决于最外圈子镜形成的焦斑尺寸,因此最外圈子镜的倾斜角精度要求较高,而其余内圈子镜的倾斜角存在一个可以波动的范围,精度要求较低,安装调试更加方便和快捷。