太阳能聚光器聚焦光斑能流密度分布的理论与实验研究

论文摘要

太阳能聚光器聚焦光斑能流密度分布的理论与测试技术研究对最优化系统效率起到关键作用,为了使接收面上的太阳能流密度得到重新分配,需要在考虑多种因素的基础上研究它的理论模型,另外在理论分析的基础上,能流密度分布的测量在实际应用中也具有重要意义。本课题的研究目的是对抛物面聚光器聚焦光斑能流密度分布进行理论计算,同时考虑多种因素的影响;另外在吸收国外先进经验的基础之上,结合我国太阳能技术研究的需求,研制一套旋转抛物面聚光器聚焦光斑能流密度分布测试系统,并进行实验研究。具体说来,本文主要完成了以下几方面的研究工作:1.抛物面聚光器聚焦光斑能流密度分布的Monte Carlo估计。对聚光系统进行光路分析,并对接收面的能流密度分布进行计算,更全面地考虑了影响能流密度分布的主要因素,使计算模型更加接近于实际情况,并且分析了各项因素对能流密度分布的影响;以Monte Carlo方法为基础,提出了旋转抛物面聚光器的优化设计方法,考虑了粘贴小平面镜片后的缝隙面积损失,得出镜片在径向和周向上的最佳数目,为该种面型聚光器的制作提供依据。2.抛物面聚光器聚焦光斑能流密度分布的有限元分析。结合聚光系统的光学特性采用有限元法对旋转抛物面聚光器和抛物柱面聚光器聚焦光斑能流密度分布进行计算,通过与Monte Carlo法计算结果进行比较,验证了该方法的正确性;为了证明该方法的通用性,又对半球形接收器和圆柱形接收器进行实例计算,对于其它面型聚光器和其它形状接收器,只要改变网格剖分方法,就可以实现聚焦光斑能流密度分布的计算,因此有限元分析方法不但克服了以往算法通用性差的不足,而且为能流密度分布的计算提供了一条新思路。3.旋转抛物面聚光器聚焦光斑能流密度分布测量装置的研制。采用基于CCD相机和朗伯靶的间接方法,研制一套点聚焦聚光设备的能流密度分布测量装置。对测量系统进行总体设计,并研究了接收面上能流密度和测点坐标的标定方法,同时对CCD相机的非线性和非均匀性进行校正。4.旋转抛物面聚光器聚焦光斑能流密度分布的实验研究。利用测量装置对焦平面和多个离焦面内的能流密度分布进行测量,并分析每个面内的聚焦光斑特性。将焦平面能流密度分布测量结果与Monte Carlo方法计算结果进行比较。另外,计算了评价聚光系统性能的一些参数,包括光学效率、几何聚光比、能量聚光比和接收器上能流密度最大不一致性的相对百分比。最后,对系统的不确定度进行分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 太阳能利用的国内外研究状况
• 1.3 聚光器聚焦光斑能流密度分布计算研究现状
• 1.3.1 锥体光学法
• 1.3.2 光线跟踪法
• 1.3.3 Monte Carlo法
• 1.3.4 微角锥法
• 1.3.5 其他方法
• 1.4 聚光器聚焦光斑能流密度分布测量技术研究概况
• 1.5 本论文的主要研究内容
• 第2章 聚焦光斑能流密度分布的Monte Carlo估计
• 2.1 Monte Carlo方法的基本思想
• 2.1.1 Monte Carlo方法求解过程
• 2.1.2 伪随机数
• 2.1.3 随机变量抽样
• 2.2 Monte Carlo数学模型的建立
• 2.2.1 理想情况下的数学模型
• 2.2.2 非理想情况下的数学模型
• 2.2.3 抛物柱面聚光器焦面能流密度分布的数学模型
• 2.3 模拟结果及分析
• 2.3.1 伪随机数均匀性检验
• 2.3.2 程序实现
• 2.3.3 方法验证
• 2.3.4 模拟结果分析
• 2.3.5 抛物柱面聚光器能流密度分布模拟结果
• 2.4 各项因素对聚焦光斑能流密度分布的影响
• 2.4.1 接收器的遮挡
• 2.4.2 漫反射
• 2.4.3 半张角
• 2.4.4 各项因素对能流密度分布的影响
• 2.5 旋转抛物面聚光器优化设计方法
• 2.5.1 镜片剖分方法
• 2.5.2 能流密度分布的Monte Carlo估计
• 2.6 本章小结
• 第3章 聚焦光斑能流密度分布的有限元分析
• 3.1 有限元法的基本思想
• 3.2 能流密度分布的基本计算公式
• 3.3 聚光系统有限元模型的建立
• 3.3.1 有限单元网格的自动形成方法
• 3.3.2 坐标变换
• 3.3.3 积分计算的数值求和形式
• 3.3.4 单元平面的空间解析式
• 3.4 旋转抛物面聚光器的有限元分析
• 3.4.1 网格剖分方法
• 3.4.2 程序实现
• 3.4.3 与Monte Carlo法计算结果的比较
• 3.5 其他面型聚光器和其他形状接收器的有限元分析
• 3.5.1 抛物柱面聚光器的有限元分析
• 3.5.2 半球形接收器和圆柱形接收器的有限元分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 聚焦光斑能流密度分布测量系统研制
• 4.1 总体方案的确定
• 4.1.1 聚光器的研制
• 4.1.2 朗伯靶的研制
• 4.1.3 CCD照相机
• 4.2 能流密度的标定
• 4.3 测点坐标的标定
• 4.3.1 系统成像模型
• 4.3.2 系统标定方法
• 4.3.3 标定方法的验证
• 4.4 CCD的非线性校正
• 4.5 CCD的非均匀性校正
• 4.6 本章小结
• 第5章 实验研究和不确定度分析
• 5.1 能流密度测量结果与光斑特性分析
• 5.2 测量结果与Monte Carlo法计算结果的比较
• 5.3 聚光器光学性能参数的计算
• 5.4 测量结果不确定度分析
• 5.4.1 能流密度测量重复性引起的不确定度
• 5.4.2 朗伯靶表面的非朗伯属性
• 5.4.3 测点坐标标定的不确定度
• 5.4.4 面积A引起的不确定度
• 5.4.5 能流密度E的相对标准不确定度
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1
• 附录2
• 附录3
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历