一种太阳能线形聚光器的设计与分析

【摘要】：虽然太阳能资源丰富、清洁无污染、可持续利用,但是,太阳能的分散性导致其能流密度低、其间歇性使得太阳辐射照度不稳定,这就意味着必须采用一定的技术和装置对太阳能进行收集。本文主要研究太阳能聚光器—改良的线形菲涅尔透镜,它是将太阳光通过透镜的方式聚集成线形以增加其能量密度的同时也便于太阳能热能收集与传递的一种现有技术。目前,菲涅尔透镜因其特有的优势已被广泛研究和应用,其中点聚焦菲涅尔透镜因其高聚光倍数已被广泛应用于光伏发电技术,而具有较低聚光倍数的线聚焦菲涅尔透镜却少有人研究。本文主要设计线聚焦菲涅尔透镜,分析其聚光效果,并将其设计成多行线聚焦聚光器用于平板太阳能,不仅为菲涅尔透镜的研究提供了一个新的思路,同时因设计的聚光太阳能系统易于与高层建筑结合的优势也为太阳能热水器的普及提供了一个新的途径。论文首先从菲涅尔透镜的光学原理和几何原理出发,依据2010年吴贺利推导出的菲涅尔透镜的一般设计公式,给出本次菲涅尔透镜的设计公式,即线形菲涅尔透镜棱角α的计算公式;依据计算公式和Matlab软件计算需要的透镜模型参数,利用Pro/E三维参数化建模,然后将建立的模型导入Trace Pro光学模拟软件中,对菲涅尔透镜的聚光效果进行软件模拟。基于Trace Pro光学模拟,本课题从棱宽、焦距口径比和光线入射角度三个方面分析了设计的线形菲涅尔透镜的聚光效果,并对比分析了以上因素分别对平面线形菲涅尔透镜和曲面线形菲涅尔透镜影响程度的大小。结果发现:透镜单个棱宽的大小对线形菲涅尔透镜的几何聚光比和聚光效率均有一定的影响,无论是平面线形菲涅尔透镜还是曲面线形菲涅尔透镜,其几何聚光比和聚光效率均随着菲涅尔透镜单个棱槽棱宽的增大而减小;随着菲涅尔透镜焦距口径比(F数)不断增大,其几何聚光比和聚光效率曲线均呈现先增大后平缓的趋势;无论是平面菲涅尔透镜,还是曲面菲涅尔透镜,其几何聚光比和聚光效率均随着入射光角度的增大而减小;在其他条件一致时,曲面型菲涅尔透镜的几何聚光比和聚光效率均比平面型菲涅尔透镜的大,同时焦距口径比和光线入射角度对曲面型菲涅尔透镜的影响程度均比平面型菲涅尔透镜的小。综合考虑菲涅尔透镜的加工难度和加工成本等实际应用问题,结合上述分析结论,本课题透镜棱槽宽设计为1mm,透镜的焦距口径比F数在0.8-1.2之间,入射光角度为零时,其聚光效果最佳。Pro/E中分别设计焦距为100mm(F数为1)、受光面的面积为100mm*500mm、每个棱齿的棱宽a为1mm(共100个齿)、厚度是1mm的平面线形菲涅尔透镜和受光面的面积为100mm*500mm、焦距为82.71mm(F数为1)、曲面弧形的曲率半径R为47.75mm、口径2r为82.71mm、每个棱齿的弧长a为1mm(共100个齿)、厚度是1mm的曲面线形菲涅尔透镜模型,将建立的模型导入Trace Pro光学模拟软件中分别对其在焦点处进行聚光性能仿真模拟研究,分别得出模拟结果能量分布图。然后将上述设计的平面线形菲涅尔透镜和曲面线形菲涅尔透镜设计成多行线聚焦聚光器用于平板太阳能,分别分析其可行性,分析发现设计的多行线形菲涅尔透镜具有较好的聚光效果,同时因为透镜的结构优势,设计的聚光系统易于与建筑物结合,是平板太阳能全新的发展,有望推进太阳能热水器在高层建筑中的普及。 【关键词】：太阳能 线形菲涅尔聚光器 光学模拟 聚光比 聚光效率 多行
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK513.1

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