线性菲涅尔式聚光器二次反射镜优化与研究

作     者：梁飞 

作者单位：兰州交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王成龙

授予年度：2019年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：太阳能 反射式聚光 线性菲涅尔 二次反射镜 CPC 光线追迹 建模 

摘      要：太阳能具有清洁、无污染,可再生等优点,合理高效开发利用太阳能对人类社会的可持续发展具有重要意义。太阳直接辐射能流密度低,人们通常采用先聚光、后利用的方式利用太阳能。根据聚光形式的不同,可分为槽式、塔式、碟式以及线性菲涅尔式四大类。其中线性菲涅尔式以其成本低、风阻小、结构简单、土地利用率高等优点受到人们的青睐。线性菲涅尔式聚光器(Linear Fresnel Reflector,LFR)主要由反射镜场和接收器两部分组成。二次反射镜做为接收器中的关键件,在改善聚光器的光热性能方面具有突出的作用。复合抛物面聚光器(Compound Parabolic Collector,CPC)是二次反射镜中常见的选择,其本身作为固定式集热器具有优越的性能,但作为LFR中的二次反射镜使用时存在灵活性差、局限性高等缺陷。良好的二次反射镜不受一次反射镜宽度的限制、能够覆盖整个镜场、对一次反射镜聚集的每一束光线都有最大限度重定向到集热管的能力。本文以二次反射镜为研究对象,首先建立了线性菲涅尔式聚光器的光学模型和物理模型,在此基础上,优化研究了两类常见的CPC式二次反射镜,针对CPC固有的缺陷,提出了一种构建二次反射镜的光学自适应建模方法,并与CPC建模方法进行了对比。具体研究内容如下:首先基于蒙特卡罗光线追迹法,建立了线性菲涅尔式聚光器的光学模型,具体包括:一次反射镜跟踪倾角、太阳形状与辐射模型、光子初始化、光子在一次反射镜及二次反射镜中的反射、光子的透射与吸收、光子统计及光学性能评价参数的定义,具体分析了反射镜场中阴影与遮挡长度的计算方法。通过相同条件下同样指标计算结果在自开发光学模型与SolTrace商业光学软件的对比,验证了光学模型的正确性。其次基于自开发光学模型建立了线性菲涅尔式聚光器的物理模型,具体包括:一次反射镜间最小无阴影无遮挡间距、一次反射镜焦距,其中包含了全局光斑宽度的计算方法。研究了LFR全天工作6小时,即太阳入射角从45°开始时,最大光斑宽度与太阳入射角的关系,结果表明:一次反射镜边缘高度在0～3.5mm范围内变化时,最大光斑宽度随太阳入射角的增加而减小,验证了:当光线入射角为45°时用全局最小光斑确定一次反射镜焦距方法的合理性。分别计算了一次反射镜为圆柱面和抛物面时的焦距,并对比了二者的镜子截面形状及集热管表面局部聚光比,得到二者在±10mm误差范围内没有明显差别。然后基于光学模型和物理模型,分析对比了抛物线CPC与圆管CPC两类常见二次反射镜的光学性能。分析了CPC内光线的分布,得到光线不被集热管拦截且溢出CPC是由于CPC中间隙的存在。分析了CPC中间隙与汇聚率的关系,得到:通过增大CPC中渐开线的旋转角,可在损失较小汇聚率(4%)的情况下获得较大的开口宽度(50mm)。分析了CPC汇聚率与截断比的关系,得到:在渐开线任意旋转角下,截断比为0.7时,CPC具有最佳的汇聚率。其中,圆管CPC在旋转角为45°时,达到最佳汇聚率95.8%,抛物线CPC在旋转角为50°时,达到最佳汇聚率95.4%。分析了不同横向入射角下,二次反射镜汇聚率及LFR光学效率与截断比的关系,得到:CPC汇聚率与横向入射角正相关,截断比为0.7时汇聚率和光学效率达到最大,此时,具有圆管CPC的LFR平均效率为83.5%,具有抛物线CPC的LFR平均效率为83.1%。接着提出了一种构建二次反射镜的光学自适应建模方法,并基于光学模型和物理模型,构建了二次反射镜。该方法综合考虑了线性菲涅尔式聚光器几何和光学两方面特征,该方法不受特殊线形的限制,能够覆盖整个镜场,能够根据不同的镜场配置灵活变化,具有最大限度地将反射光线重定向到集热管的能力。分别从不同横向入射角、不同纵向入射角、跟踪误差及集热管尺寸方面对比分析了光学自适应二次反射镜与圆管CPC的光学性能,结果表明:光学自适应二次反射镜的表现均好于CPC。最后分析了配置光学自适应二次反射镜的LFR的光学性能,具体包括一次反射镜斜率误差、时间与地点因素对LFR光学效率和集热管表面局部聚光比的影响,分别从横向和纵向入射角分析了LFR中光学损耗的分布及变化规律。