太阳能聚光器的聚光性能研究

【摘要】：随着全球人口数量的持续增长和人们对现代舒适生活的不断追求,人类对能源的需求量也正大幅增加。传统的化石能源消费量持续走高,随之而来的是环境污染和能源危机。为了解决这一关乎人类生存的问题,人们把目光转向清洁且可持续的太阳能。太阳能的应用能有效缓解能源短缺和环境污染问题。目前,根据发电机制的不同,利用太阳能发电主要有光热和光伏两种形式。光热发电是利用聚光系统将太阳能聚集起来,加热水或导热油等工质,然后利用加热工质的换热过程产生高温高压蒸汽做功发电;光伏发电分传统平板光伏发电和聚光光伏发电,平板光伏发电技术已经非常成熟,但是太阳能电池的昂贵价格,限制了其的进一步推广,聚光光伏是解决这一问题的有效途径。但聚光光伏仍然面临着一些亟待解决的问题,其中聚光组件的优化设计就是待解决的问题之一。适合工程应用的聚光器应具有较大接收角和均匀聚光的特性,对于反射型聚光器,其反射镜应该具有高反射率,以尽可能的减小聚光器的光学损失。为了上述目标,本文做了如下工作:用控制变量法研究了玻璃透过率、银含量和铜含量对玻璃银镜反射率的影响规律。根据实验所得数据得出如下结论:在银铜含量不变的情况下,玻璃透过率越高,制得的玻璃银镜的反射率越高;在玻璃透过率和铜含量不变的情况下,一定范围内,随着银含量提高,玻璃银镜反射率随之提高,当银含量达到1400mg/m2时,改变银含量,反射率不在有明显变化;在玻璃透过率一定,并且银含量处于较高水平的情况下,铜含量对玻璃银镜的反射率没有明显影响。从理论上分析了普通碟式聚光器不适合应用于聚光系统的原因,在此基础上应用Monte Carlo光线追迹法设计了一种分段式的碟式聚光器,在Pro E中建立了模型,镜模型导入Tace Pro中进行光学仿真,从仿真的结果看来,该分段式碟式聚光器具有较大接收角和较好的聚光均匀性,该聚光器适合于光热发电的聚光系统。传统的菲涅尔透镜光斑能量过于集中,不适合应用于聚光系统,本通过对菲涅尔透镜的每环进行光学设计,将各环的焦斑的半径为零变为对应的环序数乘上一个系数,这个系数就是总的光斑半径与环宽度的乘积同透镜半径的比值,这样就使各环聚焦的太阳能由光斑中心向外一层层的均匀分布于光斑范围内,达到了均匀聚光的目的。由此得出了带状焦面菲涅尔透镜的设计公式。使用matlab根据公式确定了菲涅尔透镜的各环棱高,在Pro E中建立了模型,使用Trace Pro对所建模型进行光学仿真分析。模型参数,透镜半径200mm,焦距320mm,光斑半径9mm。通过Trace Pro仿真的结果为:光斑均匀度0.8,透过率85%。从仿真的结果来看,带状焦面菲涅尔透镜的光斑均匀性较好,也表现出了较高的光学效率。 【关键词】：太阳能发电 光学设计 反射率 碟式聚光器 菲涅尔透镜
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK513.1
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-15
• 1 引言15-25
• 1.1 课题研究的背景和意义15-17
• 1.2 聚光光伏的新挑战17-19
• 1.3 聚光光学系统的研究现状19-21
• 1.4 聚光器相关知识21-22
• 1.4.1 太阳光特性21
• 1.4.2 聚光比21-22
• 1.4.3 接收角（容许偏角）22
• 1.5 反射式聚光器的材料22-23
• 1.5.1 玻璃镜面22-23
• 1.5.2 铝镜面23
• 1.5.3 金属抛光镜面23
• 1.6 论文的研究内容23-25
• 2 聚光器设计原理25-30
• 2.1 聚光器设计的必要性25
• 2.2 几何光学基本定律25-26
• 2.3 边缘光线原理26
• 2.4 ProE软件介绍26-28
• 2.5 TracePro软件介绍28
• 2.6 光线追迹理论28-29
• 2.7 聚光器性能评价原则29-30
• 3 太阳能聚光器用反射镜反射特性研究30-40
• 3.1 玻璃银镜生产工艺技术30-31
• 3.2 样品制备31-32
• 3.3 反射率检测32-34
• 3.3.1 反射率检测方法32-33
• 3.3.2 实验用仪器简介33-34
• 3.3.3 Lambda 1050操作步骤34
• 3.4 实验结果及分析34-39
• 3.4.1 玻璃透过率的影响35-36
• 3.4.2 玻璃透过率的影响36-38
• 3.4.3 铜含量对反射率的影响38-39
• 3.5 本章小结39-40
• 4 碟式聚光器的设计40-47
• 4.1 理想聚光器的特性40-42
• 4.2 碟式聚光器的设计42-46
• 4.3 本章小结46-47
• 5 带状焦面菲涅尔透镜的设计47-62
• 5.1 带状焦面菲涅尔透镜的设计方法47-49
• 5.2 光学效率及光斑均匀性分析49-58
• 5.2.1 光学效率分析50-51
• 5.2.2 光斑均匀性51-58
• 5.3 建立模型和聚光性能模拟58-60
• 5.3.1 建立模型58
• 5.3.2 聚光性能模拟58-60
• 5.5 本章小结60-62
• 6 总结与展望62-64
• 6.1 课题总结62
• 6.2 展望62-64
• 参考文献64-69
• 作者简介69

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