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基于碟式的太阳能二次反射及其分频系统的数值模拟和实验研究

作　者: 张艳梅
导　师: 骆仲泱
学　校: 浙江大学
专　业: 热能工程
关键词: 太阳能热发电碟式镜下聚光分频器
分类号: TM615
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

太阳辐射能具有能流密度低、不稳定和光谱分布范围宽等特点,因此聚光技术、蓄热技术和分频技术分别是太阳能研究者研究的关键性问题之一。针对上述问题,本文以太阳能碟式热发电系统的研究为背景,对太阳能二次反射下聚光-热发电系统光路的优化设计及新型聚光-分频系统的光路设计展开了相关的数值模拟和实验研究。本文的研究工作主要包括：①对五种二次反射系统进行理论推导、数值模拟和比较；②建立旋转双曲面上半支型二次反射系统的三维光学模型并编程,讨论各种误差对系统聚光效果的情况；③搭建太阳能二次反射下聚光试验台,建立聚光镜镜面测量系统和光斑测量系统,开展镜面扫描、光路验证和光斑测量等实验并分析；④设计一种新型分频器,建立二次反射聚光-分频系统的光学模型并编程,讨论各种误差对系统聚光效果的影响；⑤对太阳能二次反射下聚光系统和二次反射聚光-分频系统进行系统分析和比较。在数值模拟方面,运用ASAP软件,分别对平面型、旋转椭圆面型、旋转双曲面上半支型、旋转双曲面下半支型和旋转抛物面型等五种二次反射系统建立几何模型、进行数学推导并模拟,讨论一次镜边缘角、二次镜数值孔径、焦点相对位置等几何参数对二次镜相对位置、二次镜直径、遮光率、光斑直径、能量聚光比等的影响。在此基础上,得出适合本实验室研究思路的二次反射系统类型为旋转双曲面上半支型。对该系统建立三维光学模型,根据蒙特卡洛法编写光路追踪程序以研究聚光光斑的能流密度分布,讨论太阳形状、跟踪误差、安装误差等因素对系统聚光比、光斑直径、光斑偏移的影响。在实验方面,搭建了一米的和三米的碟式二次反射系统,通过镜面测量系统得到二次反射系统的镜面模型,结合程序对实际镜面模型进行分析；对一米碟式二次反射系统的光路验证结果与模拟结果吻合良好,证实了镜面测量系统的正确性。搭建了光斑测量系统,分别对一米和三米的二次反射系统的聚光情况进行了实验测量和误差分析,一米系统的聚光效果理想,三米系统的聚光镜面需要改进。本文还设计了一种新型的分频器,可以将分频后的两束光斑均反射至一次镜下方。对该新型二次反射聚光-分频系统的光路进行了推导,建立三维数学模型并编写模拟程序,讨论太阳形状、跟踪误差、安装误差等因素对系统聚光比、光斑直径、光斑偏移的影响。最后,对可蓄热的碟式二次反射下聚光斯特林发电系统和分别以Ⅱ-3B聚光光伏电池和外燃式热机为光伏和光热利用元件的聚光-分频电热联用系统建立分析模型,计算结果表明,碟式二次反射下聚光系统效率为21.3%;对电热联用系统。当ηther<21%或ηther>30%时,根据需要可考虑采用分频系统,系统效率最高为25.9%；当21%<ηther<30%时,应独立发电为主。本文的工作为研究太阳能二次反射技术及新型的聚光分频技术提供了理论基础。

全文目录

致谢  5-7
摘要  7-9
Abstract  9-17
1 绪论  17-43
  1.1 研究背景  17
  1.2 太阳能  17-21
    1.2.1 概念和特点  18
    1.2.2 丰富的太阳能资源  18-20
    1.2.3 太阳能的利用技术  20-21
  1.3 太阳能发电技术  21-25
    1.3.1 太阳能光伏发电技术  21-23
    1.3.2 聚光太阳能热发电技术  23
    1.3.3 太阳能烟囱发电  23-24
    1.3.4 太阳能温差发电  24-25
  1.4 聚光太阳能热发电技术  25-33
    1.4.1 槽式热发电技术  25-27
    1.4.2 菲涅尔热发电技术  27-28
    1.4.3 塔式热发电技术  28-29
    1.4.4 碟式热发电技术  29-30
    1.4.5 综合比较  30-33
  1.5 太阳能二次反射技术的研究  33-35
    1.5.1 二次反射技术  33
    1.5.2 国内外研究现状  33-35
  1.6 太阳能分频技术的研究  35-40
    1.6.1 分频技术的分类  35-37
    1.6.2 光电分频系统  37-38
    1.6.3 光电/光热联用分频系统  38-39
    1.6.4 光电/光照明联用分频系统  39-40
  1.7 本文研究体系与研究内容  40-43
2 太阳能聚光及分频设计的理论基础  43-59
  2.1 几何光学理论基础  43-47
    2.1.1 光的反射  43-44
    2.1.2 光的折射  44-46
    2.1.3 光的吸收  46
    2.1.4 几何坐标变换公式  46-47
  2.2 圆锥曲面的光学性质  47-48
  2.3 太阳能聚光器设计原理  48-52
    2.3.1 太阳夹角  48
    2.3.2 太阳形状  48-50
    2.3.3 聚光比  50-52
  2.4 分频利用太阳能的理论基础  52-55
    2.4.1 太阳光谱  52-54
    2.4.2 分频原理  54-55
    2.4.3 分频薄膜的设计理论  55
  2.5 聚光器光斑能流密度的理论基础  55-58
    2.5.1 研究光斑能流密度的方法  55-56
    2.5.2 蒙特卡洛法的基本原理  56-57
    2.5.3 基于蒙特卡洛的光线跟踪法  57-58
  2.6 本章小结  58-59
3 二次反射系统的ASAP分析与比较  59-94
  3.1 前言  59
  3.2 基本介绍  59-62
    3.2.1 模拟系统  59-60
    3.2.2 模拟工具  60-61
    3.2.3 模拟假设  61
    3.2.4 模拟流程  61-62
  3.3 平面型二次镜系统  62-67
    3.3.1 镜面方程的数学表示  62-63
    3.3.2 一次镜边缘角的影响  63-65
    3.3.3 焦点相对位置的影响  65-67
  3.4 椭圆面型二次镜  67-73
    3.4.1 镜面方程的数学表示  67-68
    3.4.2 一次镜边缘角的影响  68-70
    3.4.3 焦点相对位置的影响  70-72
    3.4.4 二次镜数值孔径的影响  72-73
  3.5 双曲面上半支型二次镜  73-80
    3.5.1 镜面方程的数学表示  73-75
    3.5.2 一次镜边缘角的影响  75-76
    3.5.3 焦点相对位置的影响  76-78
    3.5.4 二次镜数值孔径的影响  78-80
  3.6 双曲面下半支型二次镜  80-86
    3.6.1 镜面方程的数学表示  80-81
    3.6.2 一次镜边缘角的影响  81-83
    3.6.3 焦点相对位置的影响  83-84
    3.6.4 二次镜数值孔径的影响  84-86
  3.7 抛物面型二次镜  86-90
    3.7.1 镜面方程的数学表示  86-87
    3.7.2 一次镜边缘角的影响  87-88
    3.7.3 二次镜相对位置的影响  88-90
  3.8 综合比较  90-91
  3.9 本章小结  91-94
4 旋转双曲面上半支型二次反射系统的模拟与分析  94-116
  4.1 前言  94
  4.2 二次反射系统的光路分析  94-102
    4.2.1 建立模型  94-96
    4.2.2 光线追踪  96-101
    4.2.3 程序编写  101-102
  4.3 太阳亮度分布的影响  102-104
  4.4 光学误差的影响  104-114
    4.4.1 随机误差的影响  105-109
    4.4.2 二次镜安装误差的影响  109-113
    4.4.3 跟踪误差的影响  113-114
  4.5 本章小结  114-116
5 碟式二次反射系统的实验研究  116-151
  5.1 前言  116
  5.2 碟式二次反射系统的搭建  116-123
    5.2.1 镜面材料的选择  117-118
    5.2.2 室内碟式二次反射系统的搭建  118-121
    5.2.3 室外碟式二次反射系统的搭建  121-123
  5.3 碟式二次反射系统镜面调整及测量  123-129
    5.3.1 镜面调整及测量方法  123-124
    5.3.2 二次反射系统的镜面扫描测量  124-129
  5.4 碟式二次反射系统的光路验证  129-137
    5.4.1 实验目的和装置  129-130
    5.4.2 实验步骤  130-131
    5.4.3 实验结果与分析  131-137
  5.5 碟式二次反射系统光强测量实验  137-150
    5.5.1 实验系统  137-139
    5.5.2 能流密度的标定  139-140
    5.5.3 坐标位置的标定  140-141
    5.5.4 实验结果  141-149
    5.5.5 实验结果的不确定性分析  149-150
  5.6 本章小结  150-151
6 碟式二次反射聚光-分频系统的理论研究  151-171
  6.1 前言  151
  6.2 分频器的设计  151-159
    6.2.1 设计原理  151-154
    6.2.2 光线追踪  154-158
    6.2.3 程序编写  158-159
  6.3 光学误差的影响  159-168
    6.3.1 随机误差的影响  159-162
    6.3.2 分频器安装误差的影响  162-167
    6.3.3 跟踪误差的影响  167-168
  6.4 本章小结  168-171
7 系统分析  171-182
  7.1 前言  171
  7.2 可蓄热的碟式二次反射斯特林发电系统分析  171-174
    7.2.1 系统介绍  171-172
    7.2.2 系统分析  172-174
  7.3 碟式二次反射聚光-分频电热联用系统分析  174-181
    7.3.1 分频策略  175-177
    7.3.2 系统分析  177-181
  7.4 本章小结  181-182
8 全文总结  182-186
  8.1 主要结论  182-184
  8.2 创新点  184
  8.3 工作展望  184-186
参考文献  186-194
发表论文  194-195
作者简介  195

基于碟式的太阳能二次反射及其分频系统的数值模拟和实验研究

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