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楔形棱镜聚光器的理论研究与仿真设计

广西大学学报（自然科学版） 2013年第6期38卷 1464-1470页

作者：黄文何开岩曾威钟水库孙备广西大学物理科学与工程技术学院广西南宁530004

针对传统静态楔形棱镜聚光器（S-WSPC）聚光比低和体积笨重等不足，设计了一种跟踪太阳的动态楔形棱镜聚光器（D—WSPC），通过边缘光线原理和蒙特卡罗光迹追迹方法分析了其几何聚光比和光学效率，并对优化参数（a=59-60／3=8-9，7=15... 详细信息

针对传统静态楔形棱镜聚光器（S-WSPC）聚光比低和体积笨重等不足，设计了一种跟踪太阳的动态楔形棱镜聚光器（D—WSPC），通过边缘光线原理和蒙特卡罗光迹追迹方法分析了其几何聚光比和光学效率，并对优化参数（a=59-60／3=8-9，7=15）下的聚光器进行了模拟仿真。研究结果表明：新增的菲涅尔透镜（FL）减小了楔角和余弦损失，而等腰梯形结构和底面截断则大幅度减小了楔形棱镜的体积，提高了聚光器的几何聚光比；仿真结果显示光强分布均匀，容忍角宽，可应用于低倍聚光光伏（CPV）发电。

关键词：聚光器楔形棱镜菲涅尔透镜光学效率

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线性菲涅尔集热器镜场设计理论与光学分析

可再生能源 2016年第1期34卷 1-8页

作者：宋景慧马继帅代彦军广东电网有限责任公司电力科学研究院广东广州510080 上海交通大学制冷与低温工程研究所上海200240

文章介绍了线性菲涅尔反射镜场的设计方法与数学模型,分析了镜场模型的光学特性和镜场的各项光学损失,并计算了集热器的光学效率。在镜场反射镜数目一定的情况下,研究了光学效率随吸收器高度、镜面间隔与镜面宽度变化的规律。研究结果表... 详细信息

文章介绍了线性菲涅尔反射镜场的设计方法与数学模型,分析了镜场模型的光学特性和镜场的各项光学损失,并计算了集热器的光学效率。在镜场反射镜数目一定的情况下,研究了光学效率随吸收器高度、镜面间隔与镜面宽度变化的规律。研究结果表明:吸收器高度对镜场的余弦损失、阴影遮挡损失影响较大,吸收器高度增加,集热器光学效率随之增加;镜面间隔变化对镜场余弦损失影响很小,对阴影与遮挡损失的影响很大,镜面间隔增大,阴影与遮挡损失迅速减小;镜面宽度对镜场余弦损失影响很小,太阳入射倾角较小时,镜面宽度对阴影与遮挡损失影响较大,镜面宽度增大这种损失迅速增大。

关键词：菲涅尔集热器镜场设计光学损失光学效率

水平单轴跟踪下的全内反射交叉三维非对称CPC的光学性能研究

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水平单轴跟踪下的全内反射交叉三维非对称CPC的光学性能研究

作者：张启超云南师范大学

学位级别：硕士

基于全内反射(TIR)的CPC因采光范围大、无反射损失而受到极大关注。三维对称TIR-CPC(3D-CPC)有交叉型和圆台型两种形式,而非对称3D-CPC是一个非对称二维CPC与另一个对称或者非对称二维CPC交叉后形成的几何体(C-3D-ACPC)。与水平轴跟踪... 详细信息

基于全内反射(TIR)的CPC因采光范围大、无反射损失而受到极大关注。三维对称TIR-CPC(3D-CPC)有交叉型和圆台型两种形式,而非对称3D-CPC是一个非对称二维CPC与另一个对称或者非对称二维CPC交叉后形成的几何体(C-3D-ACPC)。与水平轴跟踪平台配套使用的C-3D-ACPC由轴向对称2D-CPC与横向非对称2D-CPC交叉后构成。为了使3D-CPC全年有效聚光,在设计横向非对称2D-CPC时,必须充分考虑全年太阳的轴向投影入射角(θ)的变化范围。南北水平轴跟踪的年采光量最大但轴向最大投影入射角在夏天和冬天极不对称,随着跟踪轴偏离南北方向角度的增加,全年θ变化范围的不对称性有所改善,但跟踪平面的采光效率下降。因此,为了优化与水平轴跟踪平台相匹配的3D-CPC设计,首先必须研究3D-CPC接收角的不对称程度对其光学性能的影响。本文首先对相同接收半角和几何聚光比全内反射圆台形和对称交叉3D-CPC的光学性能进行分析,然后对三个轴向对称、横向非对称所构成的C-3D-ACPC的光学效率进行模拟分析,最后依据太阳几何学和太阳辐射理论,研究了三种C-3D-ACPC与水平轴跟踪平台所构成的系统的年光学性能。其中一个C-3D-ACPC则根据昆明当地地理纬度设计,对称2D-CPC的接收半角为20°,非对称2D-CPC的设计原则是确保在水平南北轴跟踪情况下全年每天的有效运行时间不少于10小时;另外两个C-3D-ACPC的轴向采用接收半角为20°的对称S-CPC,横向非对称CPC(A-CPC)两反射面接收半角之和为40°。研究结果显示:在其接收角范围内,圆台型的平均光学效率稍高于交叉3D-CPC;水平南北轴跟踪情况下,光线入射角在横向非对称CPC有效采光范围内的光学效率呈现先增大后减小的趋势,但随横向非对称CPC两反射面接收半角差值的增加,但其平均光学效率越小。在模拟分析的光学效率的基础上,结合太阳几何学及地面月总辐射数据,计算了各3D-CPC在我国主要地点的年采光量以及其年平均光学聚光比,结果表明在低纬度地区,非对称程度小的C-3D-ACPC年平均光学聚光比较大,而在高纬度地区,非对称程度大的C-3D-ACPC的年平均光学聚光比较大。这意味着南北水平跟踪的C-3D-ACPC应根据当地的地理纬度来设计。

关键词：全内反射非对称3D-CPC 光学效率水平单轴跟踪光学聚光比

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无合作目标激光检测气体回波功率增强研究

激光杂志 2020年第3期41卷 91-95页

作者：刘延雷李保平段卜月王明吉廖晓玲李栋王迪杭州市特种设备检测研究院杭州310051 上海市松江区安全生产监察大队上海松江201699 东北石油大学土木建筑工程学院黑龙江大庆163318 东北石油大学电子科学学院黑龙江大庆163318

为提高无合作目标遥测气体回波功率的检测性能,建立了无合作目标表面激光辐射传输模型和菲涅尔透镜汇聚点偏移模型。利用TracePro光学软件分析了漫反射回波传输特性。研究了不同检测距离下激光回波辐射强度的变化。对比单菲涅尔透镜光... 详细信息

为提高无合作目标遥测气体回波功率的检测性能,建立了无合作目标表面激光辐射传输模型和菲涅尔透镜汇聚点偏移模型。利用TracePro光学软件分析了漫反射回波传输特性。研究了不同检测距离下激光回波辐射强度的变化。对比单菲涅尔透镜光接收机(SFL-OR)和菲涅尔透镜阵列光接收机(FLA-OR)的回波功率检测特性并分析其存在差异的原因。结果表明,无合作目标表面扩散反射回波功率与检测距离呈幂函数关系。在10~20 m检测距离范围内,FLA-OR相对于SFL-OR几何尺寸缩小了90%,光学效率达到92%,而SFL-OR由于汇聚点偏移导致其平均光学效率仅为38.56%。

关键词：辐射传输菲涅尔透镜阵列回波功率检测距离光学效率

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微型抛物面槽式聚光集热器光学性能研究

南京工业大学学报（自然科学版） 2018年第5期40卷 85-89,103页

作者：雷德胜杨谋存朱跃钊南京工业大学机械与动力工程学院江苏南京211800

为使太阳能聚光集热器与建筑更好地结合,提出了一种聚光比为3.4的微型抛物面槽式聚光集热器。从光传播损失、余弦损失以及阴影损失3个方面,建立了微型抛物面槽式聚光集热器光学效率的理论模型;用Sol Trace对微型抛物面槽式聚光集热器的... 详细信息

为使太阳能聚光集热器与建筑更好地结合,提出了一种聚光比为3.4的微型抛物面槽式聚光集热器。从光传播损失、余弦损失以及阴影损失3个方面,建立了微型抛物面槽式聚光集热器光学效率的理论模型;用Sol Trace对微型抛物面槽式聚光集热器的光学效率进行了模拟计算,计算了南北水平和东西水平放置下春分、夏至、秋分和冬至日的平均光学效率,并讨论了集热器与水平面倾角δ对光学效率的影响。结果发现:阴影损失是影响该集热器光学性能的主要因素;集热器南北和东西水平放置时的光学效率分别为54%和48%,而东西放置且与水平面倾角为60°时的光学效率为51%。因此,该集热器可用于建筑物屋顶以及南立面墙,具有很好的应用前景。

关键词：抛物面槽式聚光器光学效率建筑一体化 Sol Trace模拟

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太阳能热机的最大效率和最大输出功率

厦门大学学报（自然科学版） 1993年第S2期32卷 209-210页

作者：严子浚陈金灿厦门大学物理学系厦门361005

最大效率和最大输出功率是太阳能热机的两个重要性能参数。精确地确定这两个参数不仅具有理论意义,而且对实际系统的设计有指导作用。不少学者曾应用经典热力学中的卡诺效率和太阳能集热器的线性热损失模型,求出太阳能热机的最大效率η... 详细信息

最大效率和最大输出功率是太阳能热机的两个重要性能参数。精确地确定这两个参数不仅具有理论意义,而且对实际系统的设计有指导作用。不少学者曾应用经典热力学中的卡诺效率和太阳能集热器的线性热损失模型,求出太阳能热机的最大效率ηmax和最大输出功率Pmax

关键词：最大效率最大输出功率经典热力学卡诺有限时间热力学修正因子光学效率不可逆效应吸收面积集热器

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光伏协同作用的太阳能系统能量转换特性研究

光伏协同作用的太阳能系统能量转换特性研究

作者：桂特特昆明理工大学

学位级别：硕士

太阳能光热利用技术经过多年的发展,集热系统仍面临光热转换效率较低、接收的太阳辐照度较低等技术问题。复合抛物聚光器(CPC:Compound Parabolic Concentrator)以其高效聚光、结构简单,运行稳定等优点受到了广泛关注。因此,本文基于传... 详细信息

太阳能光热利用技术经过多年的发展,集热系统仍面临光热转换效率较低、接收的太阳辐照度较低等技术问题。复合抛物聚光器(CPC:Compound Parabolic Concentrator)以其高效聚光、结构简单,运行稳定等优点受到了广泛关注。因此,本文基于传统CPC的设计理论,开展了匹配光伏组件供电全玻璃真空管东西方向放置的复合抛物聚光集中集热系统光学性能、光伏特性、集热性能的理论建模、数值计算、模拟仿真及实验验证研究,具体内容如下:(1)采用几何光学中的边缘光线原理,构建了管间距为80mm真空管东西方向的集热系统复合抛物面形。通过光学设计软件对CPC太阳能集中集热系统物理模型进行模拟验证,获得了光学效率特性曲线。同时结合太阳能直散辐射分离理论,对集热系统采集的辐照度进行数值计算,发现CPC太阳能集中集热系统全年采集的辐照度为2400MJ/m,传统太阳能集中集热系统全年采集的辐照度为1735MJ/m,前者的辐照度较后者提高了38.33%。(2)以光伏发电原理与蓄电池工作理论为基础,设计了光伏发电系统的简化等效电路、匹配系统光伏电池板功率计算的理论数学模型以及蓄电池容量的数学模型。根据理论计算模型,计算出光伏协同集热系统的光伏电池板输出功率为7.04W,蓄电池容量为6.57Ah,并对光伏协同各组件进行了分类与选型,分析了铅酸蓄电池简化的电化学反应方程式,以及实际生产中影响蓄电池寿命的重要因素,并构建了基于LORA无线通信模块的光伏智能控制系统。(3)基于传热学基础理论与光热转换原理,建立了CPC太阳能集中集热系统的传热模型,数值计算出CPC太阳能集中集热系统理论集热效率的数值平均值为0.72,传统太阳能集中集热系统理论集热效率的数值平均值为0.50。开展了CPC太阳能集中集热系统与传统太阳能集中集热系统的对比实验,结果显示CPC太阳能集中集热系统温度提升速率高于传统太阳能集中集热系统的提升速率,两系统最大值温差为7.8℃,CPC太阳能集中集热系统的集热效率较传统太阳能集中集热系统提高了29.69%。CPC太阳能集中集热系统工质温度理论计算值与实验测量值相对误差较多的分布在20%左右,传统太阳能集中集热系统两者的相对误差多数在19%以内。(4)采用CPC太阳能集中集热系统与光伏组件供电智能控制系统相结合的方法,构建了光伏协同集热系统与传统集热系统的实验对照平台,并展开了对比实验。实验数据结果表明,光伏协同集热系统的进水口温度变化曲线增长均匀,波动较小,但出水口处温度变化呈“V”型曲线变化,而传统集热系统的进、出水口温度均呈缓慢增长。在12:10-13:10时段,光伏协同集热系统保温水箱内的平均温度上升10.3℃,传统集热系统保温水箱内平均温度上升9.2℃,在13:10-14:10时段,前者平均温度上升7.7℃,后者平均温度上升7.0℃。

关键词：太阳能复合抛物聚光器光学效率光伏供电光热转化

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菲涅尔定向传光装置优化设计及其特性研究

菲涅尔定向传光装置优化设计及其特性研究

作者：陈木生广东工业大学

学位级别：硕士

本文在透射式菲涅尔聚光装置的研究基础上,针对目前菲涅尔透镜存在输出功率与工作效率相矛盾的固有缺陷,基于菲涅尔透镜的光学原理,同时结合定向传光技术和模块化设计思想,提出了一种可实现定向传光的菲涅尔定向传光装置（theorientated... 详细信息

本文在透射式菲涅尔聚光装置的研究基础上,针对目前菲涅尔透镜存在输出功率与工作效率相矛盾的固有缺陷,基于菲涅尔透镜的光学原理,同时结合定向传光技术和模块化设计思想,提出了一种可实现定向传光的菲涅尔定向传光装置（theorientated light transmitting Fresnel lens solar concentrator,LTF-SC）,并以 LTF-SC 为聚光模块设计了菲涅尔中央接收式太阳能中高温集热系统（the medium-high temperature solar collector system composed of the Fresnel concentrators and center receiver,SCS-FCCR）。通过理论推导、数值模拟和实验验证相结合的研究方法,完成了 LTF-SC各部件的选型设计,搭建了 LTF-SC集热性能测试实验平台,同时构建了相应的光学模型以进行光线追迹仿真试验,主要研究内容和结论如下:（1）介绍了 LTF-SC和SCS-FCCR的工作原理和设计原则,完成了 LTF-SC集热性能测试实验。实验结果表明:LTF-SC在稳定工作状态下,集热效率呈现先降低后上升的趋势,在真太阳时12:00取得较小值。其中,盘管集热器平均进出口温差和集热效率分别为0.754℃和32.72%。（2）根据LTF-SC的设计方法和参数,在SolidWorks中构建相应的光学模型,并导入TracePro中完成光线追迹仿真试验。仿真结果表明:当集热损失系数Uloss=0.65时,仿真计算结果与实际实验数据较吻合,由此可知所构建的光学模型是准确可靠的。（3）对不同布置位置的LTF-SC光学模型进行全天及全年跟踪模拟,结果显示:一天当中,正南侧的LTF-SC光学效率先下降后上升,在真太阳时12:00取得最小值,但在夏至日,光学效率先上升后下降,在真太阳时12:00取得最大值;而正北侧的LTF-SC光学效率变化不明显。一年当中,正南侧和正北侧的LTF-SC全年平均光学效率分别为53.04%和52.00%。LTF-SC光学效率全天逐时变化规律和全年逐月变化规律与光线泄露现象和反射光线发散现象直接相关,可通过无量纲量κ1和κ2（分别表示光线追迹过程中定向传光器反射光线在菲涅尔透镜汇聚光线中的占比和准直传输光线在定向传光器反射光线中的占比）作出相应的解释。（4）通过研究俯仰角跟踪误差、旋转角跟踪误差以及安装误差对LTF-SC光学效率的影响机制,可知:LTF-SC俯仰电机误差控制范围控制在±0.1°,不宜超过±1.0°;LTF-SC方位电机误差控制范围控制在±0.5°,不宜超过±1.0°;菲涅尔透镜聚光焦点和定向传光器抛物反射面焦点两者之间的偏移量不宜超过0.1。（5）通过正交试验设计法,对影响LTF-SC全年平均光学效率的主要结构参数进行研究分析,可知,对于正北侧和正南侧的LTF-SC,具有显著性影响的因素（按影响程度从大到小排列）分别为:传光距离L＞几何聚光比C＞焦准距p＞焦准距与传光距离的交互作用,和传光距离L＞几何聚光比C＞焦准距与传光距离的交互作用＞焦准距p＞定向传光器抛物反射面反射率ρ＞集热器接收表面吸收率α。当结构参数取最优条件时,正北侧和正南侧的LTF-SC所对应的全年平均光学效率分别为81.31%和62.26%。

关键词：菲涅尔透镜定向传光光学效率太阳能

基于波导技术的透射式近眼显示设备光学系统研究

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基于波导技术的透射式近眼显示设备光学系统研究

作者：周晶长春理工大学

学位级别：硕士

透射式波导近眼显示系统是一种将微显示器、成像目镜与波导相结合的紧凑双通道目视光学系统,在军用和民用领域都表现出了巨大的应用潜力和价值。使用者能够在透过波导观察到外界真实环境的同时,观察到微显示器所提供的虚拟信息,在特殊... 详细信息

透射式波导近眼显示系统是一种将微显示器、成像目镜与波导相结合的紧凑双通道目视光学系统,在军用和民用领域都表现出了巨大的应用潜力和价值。使用者能够在透过波导观察到外界真实环境的同时,观察到微显示器所提供的虚拟信息,在特殊环境下对虚拟显示信息进行实时有效地获取。光波导技术可以使图像偏转180°,不仅简化了光路,还对目镜的出瞳进行了扩展,使得小出瞳直径的目镜就可以满足系统的使用要求,有利于光学系统的小型化和轻型化设计。出瞳扩展后形成的窥视窗可以放宽眼睛位置的公差,满足不同人群及多种功能的使用。然而,一维出瞳扩展仅对目镜出瞳的水平方向进行扩展,所形成的窥视窗垂直方向仍然较小,存在图像丢失的可能。全息波导二维扩展存在窥视窗内亮度较小的问题,影响人眼对虚拟信息的观察。因此本文针对进一步扩大窥视窗范围及提高窥视窗内的显示亮度,对透射式波导近眼显示系统进行设计与优化。本文对目前两种主要的波导耦合结构:几何波导和全息波导进行了仿真,对各自的出瞳扩展方式及优缺点做了深入分析。提出了将几何波导和全息波导结合对目镜出瞳进行二维扩展的设计方案,扩大窥视窗的同时保证窥视窗内的亮度。首先,针对两个波导的耦合过程中,产生的杂散光及光能量损失的问题,建立了目镜出瞳位置与几何波导中部分反射镜长度及间隔的数据模型。然后根据光线的约束条件及波导结构特性,确定了几何波导和全息波导的结构参数。其次,根据波导参数及人眼视觉特性,采用光学设计软件Zemax设计了配套的小出瞳直径(2.5mm)的目镜光学系统。最后借助光学仿真软件Lighttools将目镜系统和几何波导、全息波导系统集成并对整个光学系统进行仿真,针对仿真中出现的水平扩展间隔过大导致的图像丢失问题进行了系统改进,在全息波导中央加入水平的半反半透镜来防止窥视窗内图像缺失。并对系统多个典型视场的成像质量、出瞳辐照度分布、光学效率及亮度均匀性等方面进行了分析,各方面均满足人眼视觉特性。设计的系统视场为30°×40°,各视场MTF在40lp/mm均大于0.5。系统最终形成的窥视窗形状类似直角梯形,其上底为13mm,下底为18mm,高为28mm。在窥视窗内系统的最小光学效率达到48.1%。

关键词：波导近眼显示二维扩展光学效率