复合抛物面聚光器的光热联合建模方法技术

本发明专利技术公开了一种复合抛物面聚光器的光热联合建模方法，首先，根据几何设计参数生成复合抛物面聚光器的几何模型；继而读取太阳光照数据，结合复合抛物面聚光器安装表面的朝向与倾斜角度，进行光线追踪，估算复合抛物面聚光器各个部件表面由于光照带来的热流分布；再将计算所得的热流分布作为热流型边界条件加入复合抛物面聚光器的热力学模型，结合天气数据和运行参数计算出温度分布；最后，根据温度分布计算出收集并转化的太阳能、运行效率及其他性能指标。本发明专利技术为复合抛物面聚光器提供了一种更加准确全面的建模方法，弥补了现有建模方法缺少光热联合的不足，可以为复合抛物面聚光器的设计提供更强大、更快速的仿真工具。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于太阳能聚光器领域，涉及复合抛物面聚光器的光热联合建模方法。
技术介绍
复合抛物面聚光器(CompoundParabolicConcentrator)是由美国物理学家RolandWinston于20世纪70年代根据最大聚光比理论和边缘光线原则设计的一种非成像聚光器。根据相关的光学原理，理想复合抛物面聚光器的特点是，当入射光线相对于入射面处于一定的接收角度(Acceptance angle,θ_a)范围内时，全部入射光线均可被反射至接收器，即拦截因子(Intercept factor)为100％。实际应用中，由于生产误差和工程应用的限制，拦截因子小于100％，但通常可达到90％以上。因此，复合抛物面聚光器对跟踪太阳的要求很低，把低聚光比复合抛物面聚光器安装在固定的倾斜面上，即可在一天的大部分时间里无需任何追踪地、高效地聚集太阳光至接收器，相比于追踪式聚光器(如槽式抛物面聚光器)可大大节省运行维护成本。复合抛物面聚光器的聚光比通常为1至10，适合提供250℃以下的中低温热源。而中低温热源应用十分广泛，如热水供给、二氧化碳捕集、太阳能制冷制热系统、海水淡化、水消毒系统等。由此可见，复合抛物面聚光器在中低温领域具有广阔的应用前景。现有的复合抛物面聚光器设计过程中，光学仿真和热力学仿真往往被分开进行，或只涉及光学仿真。中国专利CN101840067、CN103810352分别提出了基于TracePro和Matlab的复合抛物面聚光器建模方法，都局限于光学仿真。然而，热力学性能对复合抛物面聚光器的设计也有显著影响，如实际应用对热源的温度要求会极大地影响接收角度和几何聚光比的设计值。通常，在最优设计的复合抛物面聚光器中，接收角度和几何聚光比随着所需热源温度的上升分别减小和增大。若仅进行光学仿真，可能无法满足热力学应用要求。因此，当下急需一种复合抛物面聚光器的光热联合建模方法，对复合抛物面聚光器进行全面的模拟和评估。
技术实现思路
本专利技术解决的问题在于提供一种复合抛物面聚光器的光热联合建模方法，克服了现有复合抛物面聚光器仿真设计不包含热力学建模及模型不能模拟评估热力学性能的不足，实现了复合抛物面聚光器的各种设计在不同天气条件、光照条件、运行状况下的快速定量模拟分析。本专利技术是通过以下技术方案来实现：复合抛物面聚光器的光热联合建模方法，包括以下操作：1)根据几何设计参数，生成包括反射器、真空玻璃管以及接收器在内的复合抛物面聚光器的各部件横截面几何形状，从而获取复合抛物面聚光器的几何模型；2)根据太阳光照数据并结合复合抛物面聚光器安装表面的朝向与倾斜角度，计算复合抛物面聚光器入射面上的直射光线和散射光线强度；然后根据所得强度生成一定数量的光线，利用光线追踪方法进行光学仿真，计算得出复合抛物面聚光器各个部件表面由于光照带来的热流分布；3)在复合抛物面聚光器的几何模型上划分网格，在每个网格上建立能量控制方程，得到复合抛物面聚光器的热力学模型；结合天气数据和运行参数，将热流分布作为边界条件加入复合抛物面聚光器的热力学模型，求解能量控制方程获取网格的平均温度，得到复合抛物面聚光器的温度分布；4)根据复合抛物面聚光器的温度分布得到热源温度，并计算出包括有效收集并转化的太阳能、运行效率在内的性能指标。所述的几何设计参数包括接收半角θc、几何聚光比CR、接收器半径ra、玻璃管外半径rg、玻璃管厚度tg、U型管半径rut、玻璃管与反射器的间距gap、聚光器槽向长度L；根据几何设计参数获取几何模型为：接收器由真空玻璃管包裹，两者为同心圆，接收器和真空管内外壁几何形状由公式(1)、公式(2)、公式(3)给出；U型管焊接在接收器内壁上，横截面为圆形，水平方向焊接情况下几何形状由公式(4)给出；反射器的接收半角入射光线将其分为上下两部分，上部根据边缘光线原则由公式(5)给出，下部为接收器圆形界面的渐开线由公式(6)给出，两部分连接处的公共点坐标由公式(7)、公式(8)得出，通过求解微分方程(5)、微分方程(6)得出反射器的几何形状；x2+y2=ra2---(10)]]>x2+y2=rg2---(11)]]>x2+y2＝(rg-tg)2 (12)(x±(ra-rut))2+y2=rut2---(13)]]>dydx=-sign(x)·(x2+y2)sinθc+yra-|x|x2+y2-ra2(x2+y2)cosθc-|x|ra-yx2+y2-ra2---(14)]]>dydx=sign(x)yra+|x|x2+y2-ra2|x|ra-yx2+y2-ra2---(15)]]>(x,y)=ra(cosθc,sinθc)+l(cos(θc-π2),sin(θc-π2))---(16)]]>l=ra(θc+arcsinrarg+gap)+(rg+gap)2-ra2---(17).]]>所述几何聚光比为截取后的复合抛物面聚光器的聚光比，即为接收面面积与接收器面积之比。所述的太阳光照数据包括太阳所在位置、直射光线强度和散射光线强度，结合复合抛物面聚光器安装表面的朝向与倾斜角度获取复合抛物面聚光器入射面上的直射光线和散射光线强度后，生成光线并利用光线追踪方法进行光学仿真，根据反射器、真空玻璃管以及接收器的太阳光吸收率、反射率和透射率计算出各部件表面的太阳光照热流分布。所述在网格上建立的能量控制方程为：∂ρh∂t+▿·(ρu→h)=▿·(k▿T)+Sconv+Srad+Ssolar---(18)]]>为能量变化率，其中ρ为工质密度，h为工质焓值；为对流项，其中为工质流速；为导热扩散项，其中k为工质热导率，T为网格平均温度；Sconv为对流传热项，包括工质与U型管、接收器与玻璃管、玻璃管与空气以及反射器与空气的对流换热，受环境温度、环境风速、工质流量和其粘性的影响；Srad为热辐射换热项；Ssolar为太阳光照热流分布；其中，环境温度、环境风速由天气数据提供；工质密度、工质焓值、工质流速、工质热导率、工质流量和其粘性由运行参数提供；Ssolar由复合抛物面聚光器各部件表面的热流分布提供，根据所提供的边界条件，用求解器求解离散化的能量控制方程，得出网格的平均温度。根据复合抛物面聚光器的温度分布布得出反射器的工质U型管出口温度，即为复合抛物面聚光器所提供的热源温度。所述的有效收集并转化的太阳能为工质在复合抛物面聚光器出入口的焓值差。所述的运行转化效率为有效收集并转化的太阳能与接受面上收到的总太阳辐射能之比；其中，总太阳辐射能为直射与散射太阳辐射能之和。所能够计算的性能指标还包括：反射器在直射状态下反射率、真空玻璃管在直射状态下透射率、真空玻璃管发生全内反射时的度数和接收器在直射状态下吸收率。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术提供的复合抛物面聚光器的光热联合建模方法，在构建几何模型的基础上，同时通过光学仿真构建复合抛物面聚光器各个部件表面由于光照带来的热流分布，并作为边界条件本文档来自技高网...

【技术保护点】
复合抛物面聚光器的光热联合建模方法，其特征在于，包括以下操作：1)根据几何设计参数，生成包括反射器、真空玻璃管以及接收器在内的复合抛物面聚光器的各部件横截面几何形状，从而获取复合抛物面聚光器的几何模型；2)根据太阳光照数据并结合复合抛物面聚光器安装表面的朝向与倾斜角度，计算复合抛物面聚光器入射面上的直射光线和散射光线强度；然后根据所得强度生成一定数量的光线，利用光线追踪方法进行光学仿真，计算得出复合抛物面聚光器各个部件表面由于光照带来的热流分布；3)在复合抛物面聚光器的几何模型上划分网格，在每个网格上建立能量控制方程，得到复合抛物面聚光器的热力学模型；结合天气数据、运行参数和热流分布，将其作为边界条件加入复合抛物面聚光器的热力学模型，求解能量控制方程获取网格的平均温度，得到复合抛物面聚光器的温度分布；4)根据复合抛物面聚光器的温度分布得到热源温度，并计算出包括有效收集并转化的太阳能、运行效率在内的性能指标。

【技术特征摘要】
1.复合抛物面聚光器的光热联合建模方法，其特征在于，包括以下操作：1)根据几何设计参数，生成包括反射器、真空玻璃管以及接收器在内的复合抛物面聚光器的各部件横截面几何形状，从而获取复合抛物面聚光器的几何模型；2)根据太阳光照数据并结合复合抛物面聚光器安装表面的朝向与倾斜角度，计算复合抛物面聚光器入射面上的直射光线和散射光线强度；然后根据所得强度生成一定数量的光线，利用光线追踪方法进行光学仿真，计算得出复合抛物面聚光器各个部件表面由于光照带来的热流分布；3)在复合抛物面聚光器的几何模型上划分网格，在每个网格上建立能量控制方程，得到复合抛物面聚光器的热力学模型；结合天气数据、运行参数和热流分布，将其作为边界条件加入复合抛物面聚光器的热力学模型，求解能量控制方程获取网格的平均温度，得到复合抛物面聚光器的温度分布；4)根据复合抛物面聚光器的温度分布得到热源温度，并计算出包括有效收集并转化的太阳能、运行效率在内的性能指标。2.如权利要求1所述的复合抛物面聚光器的光热联合建模方法，其特征在于，所述的几何设计参数包括接收半角θc、几何聚光比CR、接收器半径ra、玻璃管外半径rg、玻璃管厚度tg、U型管半径rut、玻璃管与反射器的间距gap、聚光器槽向长度L；根据几何设计参数获取几何模型为：接收器由真空玻璃管包裹，两者为同心圆，接收器和真空管内外壁几何形状由公式(1)、公式(2)、公式(3)给出；U型管焊接在接收器内壁上，横截面为圆形，水平方向焊接情况下几何形状由公式(4)给出；反射器的接收半角入射光线将其分为上下两部分，上部根据边缘光线原则由公式(5)给出，下部为接收器圆形界面的渐开线由公式(6)给出，两部分连接处的公共点坐标由公式(7)、公式(8)得出，通过求解微分方程(5)、微分方程(6)得出反射器的几何形状；x2+y2=ra2---(1)]]>x2+y2=rg2---(2)]]>x2+y2＝(rg-tg)2 (3)(x±(ra-rut))2+y2=rut2---(4)]]>dydx=-sign(x)·(x2+y2)sinθc+yra-|x|x2+y2-ra2(x2+y2)cosθc-|x|ra-yx2+y2-ra2---(5)]]>dydx=sign(x)yra+|x|x2+y2-ra2|x|ra-yx2+y2-ra2---(6)]]>(x,y)=ra(cosθc,sinθc)+l(cos(θc-π2),sin(θc-π2))---(7)]]>l=ra(&theta...

【专利技术属性】
技术研发人员：许东灏，史绍平，穆严飞，陈新明，张波，闫姝，方芳，
申请(专利权)人：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，中国华能集团公司，
类型：发明
国别省市：北京;11