太陽能聚光器聚焦光斑能流密度分布的理論與實驗研究

【摘要】： 太陽能聚光器聚焦光斑能流密度分布的理論與測試技術研究對最優(yōu)化系統(tǒng)效率起到關鍵作用,為了使接收面上的太陽能流密度得到重新分配,需要在考慮多種因素的基礎上研究它的理論模型,另外在理論分析的基礎上,能流密度分布的測量在實際應用中也具有重要意義。 本課題的研究目的是對拋物面聚光器聚焦光斑能流密度分布進行理論計算,同時考慮多種因素的影響;另外在吸收國外先進經(jīng)驗的基礎之上,結合我國太陽能技術研究的需求,研制一套旋轉拋物面聚光器聚焦光斑能流密度分布測試系統(tǒng),并進行實驗研究。具體說來,本文主要完成了以下幾方面的研究工作: 1.拋物面聚光器聚焦光斑能流密度分布的Monte Carlo估計。對聚光系統(tǒng)進行光路分析,并對接收面的能流密度分布進行計算,更全面地考慮了影響能流密度分布的主要因素,使計算模型更加接近于實際情況,并且分析了各項因素對能流密度分布的影響;以Monte Carlo方法為基礎,提出了旋轉拋物面聚光器的優(yōu)化設計方法,考慮了粘貼小平面鏡片后的縫隙面積損失,得出鏡片在徑向和周向上的最佳數(shù)目,為該種面型聚光器的制作提供依據(jù)。 2.拋物面聚光器聚焦光斑能流密度分布的有限元分析。結合聚光系統(tǒng)的光學特性采用有限元法對旋轉拋物面聚光器和拋物柱面聚光器聚焦光斑能流密度分布進行計算,通過與Monte Carlo法計算結果進行比較,驗證了該方法的正確性;為了證明該方法的通用性,又對半球形接收器和圓柱形接收器進行實例計算,對于其它面型聚光器和其它形狀接收器,只要改變網(wǎng)格剖分方法,就可以實現(xiàn)聚焦光斑能流密度分布的計算,因此有限元分析方法不但克服了以往算法通用性差的不足,而且為能流密度分布的計算提供了一條新思路。 3.旋轉拋物面聚光器聚焦光斑能流密度分布測量裝置的研制。采用基于CCD相機和朗伯靶的間接方法,研制一套點聚焦聚光設備的能流密度分布測量裝置。對測量系統(tǒng)進行總體設計,并研究了接收面上能流密度和測點坐標的標定方法,同時對CCD相機的非線性和非均勻性進行校正。 4.旋轉拋物面聚光器聚焦光斑能流密度分布的實驗研究。利用測量裝置對焦平面和多個離焦面內(nèi)的能流密度分布進行測量,并分析每個面內(nèi)的聚焦光斑特性。將焦平面能流密度分布測量結果與Monte Carlo方法計算結果進行比較。另外,計算了評價聚光系統(tǒng)性能的一些參數(shù),包括光學效率、幾何聚光比、能量聚光比和接收器上能流密度最大不一致性的相對百分比。最后,對系統(tǒng)的不確定度進行分析。 【關鍵詞】：能流密度分布 Monte Carlo法 有限元法 測量系統(tǒng) 實驗研究
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2008
【分類號】：TK513.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第1章 緒論15-34
• 1.1 課題來源及研究的目的和意義15-17
• 1.2 太陽能利用的國內(nèi)外研究狀況17-19
• 1.3 聚光器聚焦光斑能流密度分布計算研究現(xiàn)狀19-27
• 1.3.1 錐體光學法19-21
• 1.3.2 光線跟蹤法21-22
• 1.3.3 Monte Carlo法22-24
• 1.3.4 微角錐法24-25
• 1.3.5 其他方法25-27
• 1.4 聚光器聚焦光斑能流密度分布測量技術研究概況27-31
• 1.5 本論文的主要研究內(nèi)容31-34
• 第2章 聚焦光斑能流密度分布的Monte Carlo估計34-71
• 2.1 Monte Carlo方法的基本思想34-38
• 2.1.1 Monte Carlo方法求解過程34-35
• 2.1.2 偽隨機數(shù)35-36
• 2.1.3 隨機變量抽樣36-38
• 2.2 Monte Carlo數(shù)學模型的建立38-48
• 2.2.1 理想情況下的數(shù)學模型38-41
• 2.2.2 非理想情況下的數(shù)學模型41-47
• 2.2.3 拋物柱面聚光器焦面能流密度分布的數(shù)學模型47-48
• 2.3 模擬結果及分析48-54
• 2.3.1 偽隨機數(shù)均勻性檢驗48-49
• 2.3.2 程序實現(xiàn)49-50
• 2.3.3 方法驗證50-52
• 2.3.4 模擬結果分析52-54
• 2.3.5 拋物柱面聚光器能流密度分布模擬結果54
• 2.4 各項因素對聚焦光斑能流密度分布的影響54-62
• 2.4.1 接收器的遮擋54-55
• 2.4.2 漫反射55-56
• 2.4.3 半張角56-57
• 2.4.4 各項因素對能流密度分布的影響57-62
• 2.5 旋轉拋物面聚光器優(yōu)化設計方法62-70
• 2.5.1 鏡片剖分方法63-65
• 2.5.2 能流密度分布的Monte Carlo估計65-70
• 2.6 本章小結70-71
• 第3章 聚焦光斑能流密度分布的有限元分析71-86
• 3.1 有限元法的基本思想71-72
• 3.2 能流密度分布的基本計算公式72-73
• 3.3 聚光系統(tǒng)有限元模型的建立73-79
• 3.3.1 有限單元網(wǎng)格的自動形成方法73-74
• 3.3.2 坐標變換74-77
• 3.3.3 積分計算的數(shù)值求和形式77-78
• 3.3.4 單元平面的空間解析式78-79
• 3.4 旋轉拋物面聚光器的有限元分析79-81
• 3.4.1 網(wǎng)格剖分方法79
• 3.4.2 程序實現(xiàn)79-81
• 3.4.3 與Monte Carlo法計算結果的比較81
• 3.5 其他面型聚光器和其他形狀接收器的有限元分析81-85
• 3.5.1 拋物柱面聚光器的有限元分析81-83
• 3.5.2 半球形接收器和圓柱形接收器的有限元分析83-85
• 3.6 本章小結85-86
• 第4章 聚焦光斑能流密度分布測量系統(tǒng)研制86-100
• 4.1 總體方案的確定86-90
• 4.1.1 聚光器的研制87
• 4.1.2 朗伯靶的研制87-89
• 4.1.3 CCD照相機89-90
• 4.2 能流密度的標定90
• 4.3 測點坐標的標定90-96
• 4.3.1 系統(tǒng)成像模型91-92
• 4.3.2 系統(tǒng)標定方法92-95
• 4.3.3 標定方法的驗證95-96
• 4.4 CCD的非線性校正96-98
• 4.5 CCD的非均勻性校正98-99
• 4.6 本章小結99-100
• 第5章 實驗研究和不確定度分析100-114
• 5.1 能流密度測量結果與光斑特性分析100-105
• 5.2 測量結果與Monte Carlo法計算結果的比較105
• 5.3 聚光器光學性能參數(shù)的計算105-107
• 5.4 測量結果不確定度分析107-112
• 5.4.1 能流密度測量重復性引起的不確定度108-109
• 5.4.2 朗伯靶表面的非朗伯屬性109-110
• 5.4.3 測點坐標標定的不確定度110-111
• 5.4.4 面積A引起的不確定度111-112
• 5.4.5 能流密度E的相對標準不確定度112
• 5.5 本章小結112-114
• 結論114-116
• 參考文獻116-124
• 附錄1124-125
• 附錄2125-129
• 附錄3129-130
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文130-132
• 致謝132-133
• 個人簡歷133

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