一种多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统设计方法技术方案

一种多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统设计方法，首先根据设计型式要求，建立对应光学系统的通用三维数学模型，随后采用统一蒙特卡罗光线追迹方法进行光学计算，然后再以光学效率及光热分布均匀性为考核依据，直至所设计系统达到所需要的光学效率与光热分布均匀性的设计要求，在要求运行工况条件下以及通用计算流体与传热平台中建立与其对应的数值计算模型，并将蒙特卡罗光线追迹方法计算获得的太阳能热流分布与该数值计算模型耦合，进行光-热-流体耦合计算，然后再进一步以系统内工质流体流动传热性能及系统热性能为考核依据，直至所设计系统完全符合光学效率、光热分布均匀性、工质流体流动性能以及系统热性能等各项设计要求为止。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于太阳能热利用
，具体涉及一种能有效计算系统内光线传播过程、集热特性、太阳能热流分布特性以及工质流动传热特性的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统设计方法。
技术介绍
随着经济发展，工业能耗不断增长，能源危机日益严重，新能源的开发及其低成本高效利用研究显得至关重要，发展太阳能热发电技术成为现阶段我们面临的一项重要研究任务。“十一五”期间，国家继续推进了太阳能热利用的快速发展，进行了万千瓦级太阳能热发电技术研发和试点示范工作。2007年，在《可再生能源中长期发展规划》中又进一步确定将加快推进太阳能发电的产业化发展列为我国可再生能源中长期发展的总目标之一。 近期，中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要还专门就太阳能行业编制了 “十二五”规划，用以指导太阳能行业未来五年发展。由此可见，发展太阳能热发电技术，作为国家能源战略选择之一，得到了国家的大力推进，其发展前景必将十分壮丽！但同时，我们也要看到我国在太阳能热发电技术研发上还有很长的一段路程要走，许多关键科学和技术问题还需要进一步研究。太阳光作为一种辐射传播能量，其在太阳能聚焦集热系统内的聚光传热过程是一个极其复杂的光能聚集、转换以及复杂耦合传热的过程。而首先研究透彻其中的光线传播过程、集热特性以及太阳能热流分布特性是进行太阳能热发电系统理论研究的必要基础， 也是系统关键热利用部件性能优化与技术创新、提高系统发电效率的重要依据。然而，一般太阳能聚焦集热系统(如塔式、槽式或碟式等等)，都是具有多阶次、多表面的复杂系统。对此，光学领域中已有的商用光学软件在计算时都会存在着计算精度及特定统计等局限性， 无法满足本领域特定计算要求，特别是对于多阶多表面复杂非规则吸收面或吸收体内光线传播过程及热流密度分布的求解问题，以及无法进行进一步的数据分析及耦合到流体传热计算。从而，也就无法综合考虑系统型式、光学效率、光热分布均勻性、工质流体流动性能以及系统热性能(或热效率)以及运行工况条件等各种设计要求，来进行多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统的有效设计。在此背景下，人们希望设计一种能有效计算多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统光线传播过程、集热特性、太阳能热流分布特性以及工质流动传热特性的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统设计方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能有效计算多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统光线传播过程、集热特性、太阳能热流分布特性以及工质流动传热特性的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统设计方法。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是1)根据待设计的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统的设计型式要求，建立对应光学系统的通用三维数学模型；2)针对所建立光学系统的通用三维数学模型，采用蒙特卡罗光线追迹MCRT方法进行光学计算，获得该光学系统内光线传播过程、光学效率、光热聚集以及太阳能热流分布特性；3)以光学效率及光热分布均勻性为考核依据，重复步骤1)-2)，直至所设计的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热光学系统数学模型达到所需要的光学效率与光热分布均勻性的设计要求；4)对应于步骤1)-3)反复设计所得到的光学系统数学模型，在设计要求运行工况条件下以及通用计算流体与传热平台FVM-FLUENT中建立与其对应的数值计算模型，并将蒙特卡罗光线追迹MCRT方法计算获得的太阳能热流分布与该数值计算模型耦合，进行光-热-流体耦合计算，获得系统内工质流体流动性能、传热过程及系统热性能或热效率特性；5)在设计要求运行工况条件下，以系统内工质流体流动传热性能及系统热性能或热效率为考核依据，重复步骤1)-4)，直至所设计的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统完全符合光学效率、光热分布均勻性、工质流体流动性能以及系统热性能或热效率各项设计要求为止。所述的步骤1)采用统一的几何结构表达形式建立对应设计型式要求下的光学系统通用三维几何结构模型，即光学系统三维几何结构统一采用包含35个方程系数的4阶通式方程式来建立，但对于低于4阶的各阶表面，其高阶次系数通过自动赋零值来实现即可；4阶通式方程表达式如下F4(x,y,z)= YjCnX1y3Zk =0(1)n=l式⑴中Cn为4阶通式方程左侧各项的系数，下标从1到35，i、j、k分别为各项中X、y及Z的整数幂指数，各自范围在0-4之间，但同时每一项的i，j，k三者之和的范围也必须在0-4之间；然后，将该光学系统设计分成若干具有简单光学特性的子系统层次，即各子系统层次是由尽可能少的实际表面或虚拟表面分割包围而成，且其中所含介质必为简单的同一均勻介质以及不同时包含太阳辐射参与性与非参与性两类介质；并对各子系统层次及其表面采用统一编号方法进行编号区分；将各子系统组成表面设计分为“黑体物质表面或完全吸收物质表面”、“一般物质表面”即“非透明质表面”与“一般透明质表面”及“虚拟透过表面”，并采用统一表达形式描述其光学物理特征，即统一的光学物性参数表达形式。所述的步骤幻是将太阳光在系统中辐射传播过程分由大量光束携带，采用由大量随机数控制的蒙特卡罗方法进行追迹计算及统计，即把入射太阳辐射近似为大量抽样光束，每条光束携带相同能量，而光线入射位置及入射方向由一定的概率模型确定，该概率模型的概率密度分布是均勻或非均勻的，对于均勻分布情形，随机变量的取值概率直接利用伪随机数发生器生成随机数ξ来计算，而对于非均勻分布情形，随机变量的取值概率需由下式来确定\Ιρ{χΥχ = ξ (0,1)(2)式O)中X是随机变量，P (X)为概率密度函数；然后，跟踪计算光线与非参与性介质子系统层次各表面实际交点或在参与性介质子系统层次中到达位置，判断每束光线的反射、折射、吸收及散射的光学过程，并进行相应统计；计算获得该光学系统内光线传播过程、光学效率、光热聚集以及太阳能热流分布特性。本专利技术结合本领域特殊背景，提供了一种能有效计算系统内光线传播过程、集热特性、太阳能热流分布特性以及工质流动传热特性的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统设计方法。本专利技术设计方法使用方便、集成化、智能化程度高、计算精度与效率高、可扩充性强，使有关设计人员迅速高效地完成多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统计算模型设计、 计算分析、数据处理、光-热-流体耦合计算以及结构设计等工作，从而不仅解决了计算系统内光线传播过程、集热特性、太阳能热流分布特性以及工质流动传热特性的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统结构设计等方面研究难题，而且大大提高了设计效率。附图说明图1为本专利技术设计阶段I的多流程示意图；图2为本专利技术设计阶段II的多流程示意图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细说明。设计阶段I :(1)根据待设计的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统的设计型式要求，比如塔式、槽式或碟式等各种型式系统，建立对应光学系统的通用三维数学模型，包括通用三维几何结构模型建立及其简化划分以及光学物理特征描述。la)参见附图1，根据设计型式要求，设计并采用一种统一的几何结构表达形式来建立对应设计型式(比如塔式、槽式或碟式等)的光学系统通用三维几何结构模型。即光学系统三维几何结构统一采用包含35个方程系数的4阶通式方程式来建立，但对于低于4 阶的各阶表面，其高阶次系数通过自动赋零值来实现即可。4阶通式方程表达式如下权利要求本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统设计方法，其特征在于包括以下步骤：１）根据待设计的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统的设计型式要求，建立对应光学系统的通用三维数学模型；２）针对所建立光学系统的通用三维数学模型，采用蒙特卡罗光线追迹ＭＣＲＴ方法进行光学计算，获得该光学系统内光线传播过程、光学效率、光热聚集以及太阳能热流分布特性；３）以光学效率及光热分布均匀性为考核依据，重复步骤１）－２），直至所设计的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热光学系统数学模型达到所需要的光学效率与光热分布均匀性的设计要求；４）对应于步骤１）－３）反复设计所得到的光学系统数学模型，在设计要求运行工况条件下以及通用计算流体与传热平台ＦＶＭ－ＦＬＵＥＮＴ中建立与其对应的数值计算模型，并将蒙特卡罗光线追迹ＭＣＲＴ方法计算获得的太阳能热流分布与该数值计算模型耦合，进行光－热－流体耦合计算，获得系统内工质流体流动性能、传热过程及系统热性能或热效率特性；５）在设计要求运行工况条件下，以系统内工质流体流动传热性能及系统热性能或热效率为考核依据，重复步骤１）－４），直至所设计的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统完全符合光学效率、光热分布均匀性、工质流体流动性能以及系统热性能或热效率各项设计要求为止。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：何雅玲，程泽东，崔福庆，陶于兵，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87