一种组合式抛物面型太阳能聚光器设计方法技术

本发明专利技术公开了一种组合式抛物面型太阳能聚光器设计方法，首先，确定聚光器的光学和运行参数；随后，根据需求设定出光口面积，并将阳光垂直进光口入射时在出光口获得的聚光功率作为设计目标参数并设置其值；随后，确定聚光器几何参数组合，建立各组合下的设计方案的几何模型；然后，模拟太阳能在各方案内的聚集过程，获得对应的聚光功率；最后，选出符合设计要求的方案，并将其中接收半角最大的方案选为最终方案；若在当前几何参数组合下未能获得满足要求的方案，则自动调整几何参数组合，重新进行设计直至获得符合要求的方案为止。能够快速、准确地进行组合式抛物面型聚光器的几何设计和模型构建、光学建模和性能评估，实现了聚光器自动化设计。光器自动化设计。光器自动化设计。

【技术实现步骤摘要】
一种组合式抛物面型太阳能聚光器设计方法


[0001]本专利技术涉及聚光型太阳能利用
，具体涉及一种组合式抛物面型太阳能聚 光器设计方法。

技术介绍

[0002]19世纪以来，以煤炭、石油、天然气为主的化石能源逐渐成为世界能源的支柱。 随着经济社会的快速发展，人类使用的化石能源越来越多。然而，化石能源的大量使 用，造成了日益严重的环境问题和大量的资源浪费，且化石能源也终将耗尽。因此， 开发和利用以太阳能为代表的可再生能源已成为世界能源发展的必然选择。
[0003]在现有太阳能利用技术中，以聚光型太阳能热利用、聚光型光伏发电、聚光型光 热发电技术为代表的聚光型太阳能利用技术是目前正处在快速发展阶段的太阳能利 用技术。在聚光型太阳能利用技术中，以组合式抛物面型太阳能聚光器为代表的聚光 器是实现太阳能聚集的关键设备。
[0004]典型的组合式抛物面型太阳能聚光器是一种由一个横截面为六边形的六边形复 合抛物面的6个局部表面和一个横截面为圆形的回转面复合抛物面的6个局部表面 无缝组合而成的一个整体，两个复合抛物面的对称轴重合并形成聚光器的对称轴。可 见，组合式抛物面型太阳能聚光器是一种具有12个复杂曲面的太阳能聚集设备。组 合式抛物面型太阳能聚光器的设计将涉及到聚光器反射表面的复杂曲面几何结构、太 阳辐射能在聚光器内部的多次非理想反射与吸收的复杂传播和聚集过程、聚光器本身 的强烈非成像聚光特性，因而现有设计方法难以快速、准确、方便地设计出合理的组 合式抛物面型聚光器的几何构型设计方案，同时难以准确地评价所设计的聚光器几何 构型设计方案的太阳能聚集性能，进而导致无法实现自动化、快速、低成本设计。鉴 于此，需要研究一种能够快速、准确、方便地进行组合式抛物面型聚光器的几何构型 设计并评价其太阳能聚集性能的自动化、快速设计方法。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中的问题，本专利技术提供了一种组合式抛物面型太阳能聚光器设 计方法，能够快速、准确、方便地进行组合式抛物面型聚光器的几何模型设计和构建， 以及光学性能模拟计算模型构建和太阳能聚集性能评估，实现组合式抛物面型太阳能 聚光器的自动化、快速化设计。
[0006]为了实现以上目的，本专利技术所采用的技术方案包括以下步骤：
[0007]1)确定待设计聚光器的设计光学参数和设计运行参数，设计光学参数包括聚光 器反射面的镜面反射率ρ和型面误差σ，设计运行参数包括太阳直射辐射强度I
d
；
[0008]2)确定聚光器的出光口的面积S2，并根据下式计算六边形复合抛物面的六边形出 光口的对边宽度的一半a2：
[0009][0010]3)确定聚光器的设计目标参数：设计目标参数包括在阳光垂直于进光口平面入 射的条件下在聚光器的出光口处聚集的太阳能功率Q
req
；并建立右手直角坐标系xyz， z轴与聚光器的对称轴重合，z轴正方向从聚光器的出光口中心指向进光口中心，原点 o位于聚光器的出光口中心；定义xy平面内的方位角β，以y轴正向为0
°
，逆时针旋转为 正；
[0011]4)确定六边形复合抛物面的几何结构参数的范围和参数组合，几何结构参数包 括：六边形复合抛物面半接收角θ
1,i
和六边形进光口对边宽度的一半a
1,j
；将θ
1,i
的取值范 围限定在(5
°
，30
°
)之内，且θ
1,i
的取值设定为(N
θ-1)种；将a
1,j
的取值范围限定在 (a2,a2/sinθ
1,i
)之内，且将a
1,j
的取值设定为(N
a-1)种，为N
θ
和N
a
选定初始值；
[0012]在第i种取值下，θ
1,i
按下式取值：
[0013][0014]在第j种取值下，a
1,j
按下式取值：
[0015][0016]在不同的i和j取值下，θ
1,i
和a
1,j
的取值组合有(N
θ-1)
·
(N
a-1)种；
[0017]5)分别在每种θ
1,i
和a
1,j
取值组合下，建立聚光器的几何模型；
[0018]6)分别在每种θ
1,i
和a
1,j
取值组合下，模拟计算太阳辐射能在聚光器内的传播过程： 针对聚光器的几何模型建立光学模型，采用光学模拟方法计算获得每种θ
1,i
和a
1,j
取值 组合下聚集到出光口上的太阳能功率Q
design,ij
；
[0019]7)分别将每种θ
1,i
和a
1,j
组合下计算得到的聚集到出光口上的太阳能功率Q
design,ij
与 设计目标参数Q
req
对比，采用下式判断是否满足设计要求：
[0020][0021]若在所有的(N
θ-1)
·
(N
a-1)种θ
1,i
和a
1,j
取值组合下均不满足上式的设计要求，则先调 整N
θ
和N
a
数值，再返回步骤4)重新进行计算，直至满足上式的设计要求，并记录所 有满足设计要求的θ
1,i
和a
1,j
取值组合；
[0022]8)对比计算所有满足设计要求的θ
1,i
，选择最大θ
1,i
对应的设计方案为最终设计 结果。
[0023]进一步地，所述步骤3)中在阳光垂直于进光口平面入射的条件下在聚光器的出 光口处聚集的太阳能功率Q
req
满足下式：
[0024][0025]其中，ρ为反射面的镜面反射率；σ为反射面的型面误差，rad；I
d
为太阳直射辐 射强度，W
·
m-2
。
[0026]进一步地，所述步骤4)中N
θ
和N
a
的初始值分别设置为25和50。
[0027]进一步地，所述步骤5)建立几何模型包括以下步骤：
[0028]5.1)在yz平面内按下式在a2≤y≤a
1,j
的范围内画出第一镜面型线：
[0029]sin2θ
1,i
·
z2+[2(y+a2)
·
sinθ
1,i-4a2(1+sinθ
1,i
)]cosθ
1,i
·
z +[(y+a2)2cos2θ
1,i-4a2(1+sinθ
1,i
)(-ysinθ
1,i
+a2)]＝0...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种组合式抛物面型太阳能聚光器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)确定待设计聚光器的设计光学参数和设计运行参数，设计光学参数包括聚光器反射面的镜面反射率ρ和型面误差σ，设计运行参数包括太阳直射辐射强度I
d
；2)确定聚光器的出光口的面积S2，并根据下式计算六边形复合抛物面的六边形出光口的对边宽度的一半a2：3)确定聚光器的设计目标参数：设计目标参数包括在阳光垂直于进光口平面入射的条件下在聚光器的出光口处聚集的太阳能功率Q
req
；并建立右手直角坐标系xyz，z轴与聚光器的对称轴重合，z轴正方向从聚光器的出光口中心指向进光口中心，原点o位于聚光器的出光口中心；定义xy平面内的方位角β，以y轴正向为0
°
，逆时针旋转为正；4)确定六边形复合抛物面的几何结构参数的范围和参数组合，几何结构参数包括：六边形复合抛物面半接收角θ
1,i
和六边形进光口对边宽度的一半a
1,j
；将θ
1,i
的取值范围限定在(5
°
，30
°
)之内，且θ
1,i
的取值设定为(N
θ-1)种；将a
1,j
的取值范围限定在(a2,a2/sinθ
1,i
)之内，且将a
1,j
的取值设定为(N
a-1)种，为N
θ
和N
a
选定初始值；在第i种取值下，θ
1,i
按下式取值：在第j种取值下，a
1,j
按下式取值：在不同的i和j取值下，θ
1,i
和a
1,j
的取值组合有(N
θ-1)
·
(N
a-1)种；5)分别在每种θ
1,i
和a
1,j
取值组合下，建立聚光器的几何模型；6)分别在每种θ
1,i
和a
1,j
取值组合下，模拟计算太阳辐射能在聚光器内的传播过程：针对聚光器的几何模型建立光学模型，采用光学模拟方法计算获得每种θ
1,i
和a
1,j
取值组合下聚集到出光口上的太阳能功率Q
design,ij
；7)分别将每种θ
1,i
和a
1,j
组合下计算得到的聚集到出光口上的太阳能功率Q
design,ij
与设计目标参数Q
req
对比，采用下式判断是否满足设计要求：若在所有的(N
θ-1)
·
(N
a-1)种θ
1,i
和a
1,j
取值组合下均不满足上式的设计要求，则先调整N
θ
和N
a
数值，再返回步骤4)重新进行计算，直至满足上式的设计要求，并记录所有满足设计要求的θ
1,i
和a
1,j
取值组合；8)对比计算所有满足设计要求的θ
1,i
，选择最大θ
1,i
对应的设计方案为最终设计结果。
2.根据权利要求1所述的一种组合式抛物面型太阳能聚光器设计方法，其特征在于，所述步骤3)中在阳光垂直于进光口平面入射的条件下在聚光器的出光口处聚集的太阳能功率Q
req
满足下式：其中，ρ为反射面的镜面反射率；σ为反射面的型面误差，rad；I
d
为太阳直射辐射强度，W
·
m-2
。3.根据权利要求1所述的一种组合式抛物面型太阳能聚光器设计方法，其特征在于，所述步骤4)中N
θ
和N
a
的初始值分别设置为25和50。4.根据权利要求1所述的一种组合式抛物面型太阳能聚光器设计方法，其特征在于，所述步骤5)建立几何模型包括以下步骤：5.1)在yz平面内按下式在a2≤y≤a
1,j
的范围内画出第一镜面型线：sin2θ
1,i
·
z2+[2(y+a2)
·
sinθ
1,i-4a2(1+sinθ
1,i
)]cosθ
1,i
·
z+[(y+a2)2cos2θ
1,i-4a2(1+sinθ
1,i
)(-ysinθ
1,i
+a2)]＝05.2)采用下式计算聚光器的进光口平面和出光口平面之间的距离h
ij
：5.3)设计回转面复合抛物面几何参数，采用下式计算回转面复合抛物面进光口半径r
1,j
：r
1,j
＝a
1,j
/cos30
°
采用下式计算回转面复合抛物面出光口半径r2：r2＝a2/cos10
°
采用下式计算回转面复合抛物面半接收角θ
2,ij
：[(r
1,j
+r2)cosθ
2,ij
+h
ij
sinθ
2,ij
]2＝4r2(1+sinθ
2,ij
)(-r
1,j
sinθ
2,ij
+h
ij
cosθ
2,ij
+r2)5.4)在yz...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱羽，李庆，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：