槽式太陽能聚光鏡設計及聚焦性能模擬

1、槽式太陽能聚光鏡設計及聚焦性能模擬王磊磊建筑工程學院摘要：為使焦面光斑尺寸最小，理論計算了槽式太陽能聚光鏡的母線方程。根據(jù)蒙特卡洛光線跟蹤法及鏡面反射定律，對一開口寬度為5.77m，長度為0.4m的槽式太陽能聚光鏡的聚焦性能進行了仿真計算。從焦面上的接收能量角度而言，理論分析與仿真結果之間的誤差為 2.6%。這將對槽式聚光系統(tǒng)的設計及優(yōu)化提供了可靠依據(jù)。關鍵詞：槽式太陽能聚光鏡，聚焦性能，仿真1前言槽式太陽能熱發(fā)電技術是目前最為成熟的太陽能熱發(fā)電技術，是最早實現(xiàn)大規(guī)模應用的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，也是目前三種太陽能聚焦熱發(fā)電系統(tǒng)中唯一實現(xiàn)商業(yè)化運行的熱發(fā)電方式。槽 式系統(tǒng)采用拋物線型槽式反射鏡面將太

2、陽光聚焦到位于焦線的集熱管上（圖1），將管內(nèi)的傳熱工質(zhì)（油或水）加熱至一定溫度，然后經(jīng)熱交換器產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動汽輪發(fā)電機組發(fā) 電。在開 口寬度一定時，為保證焦面光斑尺寸最小，設計合理的槽式太陽能反射鏡面，對整個槽式系統(tǒng)的高效運行至關重要。因此，本文在分析太陽能聚焦理論的基礎上，對一開口寬度為5.77m，長度為0.4m的槽式太陽能聚光鏡的聚焦性能進行了仿真計算。以對槽式聚光系統(tǒng)的設計及優(yōu)化提供了可靠依據(jù)。Absorber圖1槽式太陽能熱發(fā)電聚光示意圖2太陽能聚焦分析理論2-4太陽光線存在32分張角，在太陽能聚焦分析中，假定：1）在太陽張角內(nèi)，入射太陽光被認為是各方向輻射照度相同;2）反射方式只考慮拋

3、物面的鏡面反射;3）當?shù)厝照粘?shù)取1000W/m?5。太陽光經(jīng)拋物反射面反射后在 XOY平面上形成光路如圖2所示。圖中o為坐標原點，F(xiàn)為拋物面焦點，A和B分別為拋物面在XOY平面上投影的端點。BA圖2聚焦器誤差示意圖3槽式太陽能聚光鏡設計算例及結果分析3.1設計要求1） 采用槽式太陽能聚光鏡，槽式聚光鏡開口寬度5.77m；2）焦面光斑尺寸最?。?）確定槽式太陽能聚光鏡母線方程。3.2母線方程計算過程焦面光斑尺寸CD :2AF tan4f ta n2AE tan 4AE tan :cos cos （1 cos ） sin cos sin 2所以=45度時，CD最小為0.054m。AE 5 77此

4、時AF二亦二右苻=4。8，AF(1 cos )= AE(1 cos )77(1 論司=3.482522 sin4 sin45。所以拋物線方程為x2 =13.93y。3.3聚焦性能仿真建立母線方程為X =13 93y，開口寬度為5.77m,長度為0.4m的槽式太陽能聚光鏡的計算模型，取太陽日照常數(shù)為1000W/m2，鏡片反射率：0.92，依據(jù)文獻2-牝中介紹的蒙特卡洛光線跟蹤法及鏡面反射定律，對太陽入射光線垂直槽式聚光鏡開口面時，聚光鏡焦面上的能流分布及能量大小進行數(shù)值模擬。垂直于槽式聚光鏡開口面的太陽光線，經(jīng)聚光鏡反射，能量匯聚在焦面上并形成光斑，光路示意如圖3,焦面上的光斑形狀及能流分布的計

5、算結果如1000001S00M 14flW0 134)000 120000 110000 100000 9M00 eoooo 70000 eoooo 50000 40000 30000 20DCC 1OTOO21233.6W。槽150000 14000D 130000 120000 110000 WD000 泗DOSODOO 70000 60000 50D00 4rt)00 30DOO 2OT00 WOODa）三維顯b）二維顯示示從圖4中可以看出，由于太陽張角的存在，太陽光線在焦面上并不是匯聚成一條線，而是形成一個矩形區(qū)域，能量峰值為1.5X105 w/m2，且在矩形區(qū)域中心，沿槽式聚光鏡的長

6、度向外側遞減，在槽式聚光鏡寬度方向基本恒定不變，焦面接收的總能量: 式聚光鏡的入射開口面積為 5.77X 0.4=23.08m2，則入射總能量為23080W。所以槽式聚光鏡 的聚 焦效率為21233.6/23080=0.974，從焦面上的接收能量角度而言，理論分析與仿真結果之間的誤差 為 2.6%。另一方面，聚焦能量在焦面上主要集中在土 0.03m范圍內(nèi)，這與0.054m的焦斑理論計算寬度 基本一致。這主要是由于焦斑理論計算寬度CD由CF和FD兩段組成，在理論計算時，假定CF 和FD兩段相等，而實際上FD段要略長于CF段，所以焦斑實際寬度應略長于CD。4結論本文在分析太陽能聚焦理論的基礎上，對

7、一開口寬度為5.77m，長度為0.4m的槽式太陽能聚光鏡的聚焦性能進行了仿真計算。主要得到如下結論：在開口寬度一定時，為保證焦面光斑尺寸最小，設計合理的槽式太陽能反射鏡面，根據(jù)蒙特卡洛光線跟蹤法及鏡面反射定律，對一開口寬度為5.77m，長度為0.4m的槽式太陽能聚光鏡的聚焦性能進行了仿真計算；由于太陽張角的存在，太陽光線在焦面上并不是匯聚成一條線，而是形成一個矩形區(qū)域，能量峰值在矩形區(qū)域中心，沿槽式聚光鏡的長度向外側遞減，在槽式聚光鏡寬度方向基本 恒定不變。從焦面上的接收能量角度而言，理論分析與仿真結果之間的誤差為2.6%。參考文獻王亦楠對我國發(fā)展太陽能熱發(fā)電的一點看法J.中國能源，2006,28(8):5-10.許成木，李明，季旭，等.槽式太陽能聚光器焦面能流密度分布的頻數(shù)統(tǒng)計分析J,光學學報.2013,33(4):1-7.Tao Tao， Zheng Hongfei, He Kaiyan， et al. A new through solar concentrator and itsperformanceanalysisJ. Sola