大型碟式聚光器聚焦性能研究

2.1.3 考虑接收器位置误差
本节简单讨论一下接收器位置偏移引起 误差的情形， 由于该聚光器是由很多小镜面组 成，因此接收面发生误差的情况有两种： （1）小镜面发生安装时造成的偏移小镜
r
太阳平行光
q ( x, z )
z'
l3 '
l1
l3
l4


N N'

l2
平面解析图
Ppar
N



x 2 29 z
光斑值。
表 1 焦斑大小与镜面5
2 72/145 0.0376
3 108/145 0.0397
4 144/145 0.0420
5 36/29 0.0440
镜面高度 h /m 焦斑半径 r /m
根据仿真可得到焦斑的半径随抛物面切 面圆的半径的增大而增大， 这里用抛物面的高 度来表示两者的关系，如图 3 所示，取 n 点，
x 2 y 2 4 fz ，
其数学模型如下图 2 所示：
f ，开口大小 d 的大致范围，考虑 的重要
作用， 经计算模拟， 得到文中设计的抛物面为：
x2 y 2 29 z
2 理论计算，仿真分析
(8)
2.1 现在我们采用文献中的两种方法， 进行比 较， 对理想情况和误差影响下获得焦斑大小情 况进行分析 2.1.1 理想太阳平行光， 只用考虑太阳不平行 度时的焦斑大小 我们对抛物面进行网格划分，如图 1 所 示，按圆周方向等分为 20 分，径向部分等高 划为为 5 部分，从其中取 n 个点，抛物面高度
[3] [2]
聚焦性能带来的影响，提高聚光器的聚焦精 度， 本课题拟设计一种利于安装的大型拼接式 碟式聚光器。整个抛物面由小镜面拼接而成， 利用抛物面的对称性，考虑太阳光不平行度、 光线跟踪误差、以及接受面位置移动三个因 素， 对所设计的碟式聚光器聚焦性能进行数值 仿真，根据仿真的数据指导安装。
20
参考文献 [1] 帅永，夏新林，谈和平 .碟式抛物面太阳
能聚能器焦面特性数值仿真[J].太阳能学 报，2007,28(3):263-266. [2] 刘颖，戴景民，孙晓刚.抛物面型聚光器 聚焦光斑能留密度分布的计算[J].太阳能 学报，2007,28(10):1049-1053. [3] 杜胜华，夏新林，唐尧.太阳光不平行度 对太阳能聚集性能影响的数值研究[J].太 阳能学报，2006,27(4):388-392. [4] 成珂，韩迪.旋转抛物面误差对聚光性能 的影响[J].太阳能学报， 2009,30(4):445-448.
小镜面移动时对聚焦性能的影响， 对抛物面的 安装提供理论指导。
[5] 陈晓夫，任红琛.聚光式太阳灶的设计与 制作抛物面聚光太阳灶是怎样工作的[J]. 太阳能，2004,3:12-14. [6] 徐龙潭，帅永，谈和平.碟式太阳能集热 器的聚光特性数值研究 . 纪念马祖光院 士全国光电子与光电信息技术学术研讨 会论文集，2006. [7] 高益兵，黄护林.一种新型碟式聚光器的 设计与仿真模拟. [8]罗远俊，何梓年，王长贵.太阳能利用技术 [M].化学工业出版社，2005. [9] 刘鉴民.太阳能利用原理、 技术、 工程[M]. 电子工业出版社.2010.06.
偏移后的相对光轴
p ( x1 , z1 )
o'
图 5 抛物面位置偏移
L2 L1
o
x'
x
3 结论
本文对设计的抛物面有可能面临的三种 误差进行研究分析，结合文献中的方法，通过 数值仿真计算，获得光斑大小及其分布情况， 得到如下结论： （1）文中设计的抛物面，其最大边缘角 符合理论上的最佳值，有利于聚焦能量。 （2）该抛物面的设计突破以往的方法， 由很多小镜面组合而成， 降低了加工制造的难
0.05
0.1
0.15
图 3 焦斑半径随高度增大而增大
图 4 焦斑半径分布 当偏角超过 16′时，光斑半径形成的圆 环范围如下
2.1.2 考虑入射光线偏离时的误差
在实际应用中， 入射光线并不一定都是平 行于光轴的直线，而是会发生一定程度的偏 离，现在对偏角产生的误差进行分析。如图 1 所示，当入射光束偏离 时，反射的光束在 图知，偏离的反射光束在焦平面上形成的光 斑，会在相对应的圆环内。经过一系列计算， 当偏角 在一定范围内，反射光束不会全部 在入射光束的另一侧时，并会形成两个圆环， 光斑半径大小范围为： 焦平面上形成的光斑也会发生一定的偏离， 由
即对应有 n 条入射光线，在经过抛物面反射 后，反射线和 z 平面相交，得到焦斑半径分布 如图 4 所示：
3.5 x 10
5
1.4
3
1.2
2.5
1
n
2
0.8
h/m
1.5
0.6
1
0.4
0.5
0.2
0 0.03
0
0.035 0.04 0.045 r/m 0.05 0.055 0.06
-0.1
-0.05
0 r/m
大型碟式聚光器聚焦性能研究
赵前程，徐巧
湖南科技大学机械设备健康维护省重点实验室，湘潭，湖南，411201
摘要：本文针对大型碟式聚光器聚焦性能的精度问题，设计了一种拼接式的聚光器。根据旋转抛物面的聚 光特性，考虑太阳光不平行度、光线跟踪误差、以及接受面位置移动三个因素，对所设计的碟式聚光器聚 焦性能进行仿真。该大型碟式聚光器由许多拼接小镜面组成，在镜面选取 n 个入射点，结合以往文献中的 方法，进行数值仿真分析，为碟式太阳能聚能器的设计和安装提供参考依据。 关键字：碟式聚光器; 误差; 聚焦性能; 仿真
h
d2 16 f
(2)
tan 考虑太阳不平行度 2 ，
1 (d / 8h) (2h / d )
(3)
tan( ) sin( ) 0.00463mrad,
6’，有： W = 2 tan
=1
15
(4) (5) (6)
=2f /(1+cos)
r 1/ 2 W / cos
rmin
rmax
由图表得，在考虑太阳不平行度时，偏移角大 于 2′， 光斑的半径大于 0.05m,会超过实际要 求的接收窗口大小，若偏离更大，偏离出去的 反射光线有可能损害焦面接收光线的仪器。
面的偏移会使其所在的抛物面发生改变， 焦距 移动，需要对移动后的焦平面进行坐标变换， 如图 5 所示，要重新求取焦平面上的点，及 焦斑大小。 （2）整个接收面发生偏移，若其跟随装 置都会发生偏移， 可以当做入射光线偏移来计 算，方法等同于 2.1.2；如果只是抛物面部分 发生偏移，则焦平面也相应的变化，计算等同 于上一条。
Research on Large Dish Concentrator Focusing Performance
Abstract: This paper aims at the problems in which about the accuracy of large dish concentrator focusing performance, designs a mosaic-type condenser. According to the characteristics of rotating parabolic concentrator , we made a simulation for the design dish concentrator focusing performance which considering the three main factors of sunlight nonparallelism, light tracking error and the receiver ’s position . The large dish concentrator is composed of a number of small mirror. Combining with previous literature methods, we choosing n incident point on the mirror, made a numerical simulation, then we can providing a reference for the dish solar concentrator design and installation. Keywords: dish concentrator ; error; focus performance; simulation
得到：
10
5
0 10
0 2 4 6
r
-10 -6 -4 -2 0
2 f tan cos (1 cos )
(7)
r 为焦斑半径，由上面的公式可以看出，
焦斑半径由
图 1 拼接式聚光器
f ， 决定，当 等于 45°时，
1 抛物面的设计
旋转抛物面方程为：
产生最大聚光比， 大于 45°，聚光比下降， 反射到接收面的光线越不均匀， 光斑出现一定 (1) 程度的扩散， 可能会对以后接收光线的窗口及 仪器造成一定的损害，所以 尽量设计的小 些。这次我们设计的旋转抛物面给定了焦距
(9)
(1+
cos
))
表 2 焦斑大小

r 0
1′ 0.0418m 0.0028m 0.0474m
2′ 0.0299m 0.0056m 0.0502m
3′ 0.0363m 0.0084m 0.0530m
4′ 0.0335m 0.0112m 0.0558m
5′ 0.0307m 0.0139m 0.0586m
0 引言
如今，太阳能的利用成为当今的前沿课 题， 而集热器已经成为太阳能应用最广泛的途 径之一。由于抛物面的聚光特性，以及成本和 加工方面的优越性， 碟式聚光器成为了重要的 集热器，发展迅速。 目前， 在实际的应用中， 仍面临很多问题。 聚光器的形状，几何参数，光线跟踪精度，镜 面反射误差，以及反射面位置的影响，加工， 安装过程中的误差等等都会使聚光效率降低， 聚焦光斑大，热流分布不均，并有可能造成对 接收窗口仪器的损害。 还有接收窗口的位置及 本身的精度和转化效率也会对最终得到的能 量值产生影响。 国内外许多专家针对这些问题 进行了模拟、计算、分析，并取得了一定的成 果：对大型对日定向的碟式太阳能反射聚集 器，哈尔滨工业大学的杜胜华，夏新林等 通