CN107894658A - 一种非成像碟式聚光器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非成像碟式聚光器的设计方法，包括以下步骤：建立全局坐标系；将腔体接收器安装在理想抛物碟式聚光器的焦点位置；建立非成像碟式聚光器的反射镜曲面的空间方程；建立各环反射镜面的聚焦光斑的半径模型；建立以能流均匀性为目标，以各段抛物母线的旋转角度为优化变量的数学模型；优化建立的数学模型，最终确定与腔体接收器匹配的非成像碟式聚光器的反射镜的曲面形状，获得均匀的能流分布。本发明的非成像碟式聚光器的反射镜由多环反射镜面组成，每环反射镜面的曲面方程均不相同，不仅能够显著地提升能流均匀性，还能降低局部聚光比的峰值，从而有效地避免高温热斑的形成，进而提升吸热器的工作寿命和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能发电领域，特别涉及一种非成像碟式聚光器及其设计方法。
背景技术
太阳能是清洁环保、供应充足和分布广泛的可再生能源。聚光太阳能热发电是开发和利用太阳能资源的一种重要技术，被认为是解决能源短缺和环境污染问题的重要途径。碟式-斯特林太阳能热发电系统是通过抛物碟式聚光器将太阳光聚集到接收器内的金属盘管表面，并用于加热金属管内的气体工质(通常为氢气或氦气)，然后被加热的气体工质会驱动斯特林热机工作并带动发电机工作输出电能。由于碟式-斯特林太阳能热发电系统具有太阳能-电能转换效率高(最高纪录是31.25％)，布置灵活和模块化程度高等优点，被认为是一种具有广阔应用前景的高品位太阳能热利用装备。
众所周知，理想抛物碟式聚光器是一个单点聚焦成像光学装置，他能将与其焦轴平行的光线聚集到焦点处。因此，碟式聚光系统中腔体接收器表面的能流分布通常是极其不均匀的。然而，非均匀且高密度的太阳辐射能可能会对腔体接收器装置产生一些不利的影响，这包括降低接收器的工作效率，更为严重的可能还会产生高温热斑而影响接收器的安全性和工作寿命。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、能提升流均匀性的非成像碟式聚光器，并提供非成像碟式聚光器的设计方法。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种非成像碟式聚光器，包括网架、反射镜、立柱、双轴跟踪装置、支撑桁架和控制装置，所述双轴跟踪装置安装在立柱顶端，所述控制装置与双轴跟踪装置电连接，控制装置计算太阳的实时位置并控制双轴跟踪装置的转动，实现聚光器实时跟踪太阳位置；所述支撑桁架下端与双轴跟踪装置连接，所述网架中心与支撑桁架下端固定连接，反射镜安装在网架上，所述反射镜由多环反射镜面组成，每环反射镜面的曲面方程均不相同。
上述非成像碟式聚光器，各环反射镜面的生成过程为：在二维平面内，将理想抛物母线沿半径方向划分成K等分，即总共有K环反射镜面，然后将各段抛物母线绕其一个端点旋转一定角度，最后将各母线绕原来理想抛物曲线的焦轴旋转一周形成一个非成像碟式聚光器的反射镜。
上述非成像碟式聚光器，每环反射镜面由多个沿圆周布置的镜面单元构成。
一种非成像碟式聚光器的设计方法，包括以下步骤：
1)在理想抛物母线的顶点O位置建立全局坐标系O-xyz，其中z轴指向抛物曲面的焦点F，设定理想抛物母线的焦距、理想抛物碟式聚光器的半径、沿半径方向等分的数量以及反射镜的反射率；
2)设定腔体接收器的几何参数和壁面反射或吸收参数，将腔体接收器安装在原来的理想抛物碟式聚光器的焦点位置，即腔体接收器的接收窗平面位于原来的抛物碟式聚光器的焦平面位置；
3)将各段抛物母线绕其内端点旋转一定角度，建立新的非成像碟式聚光器的反射镜曲面的空间方程；
4)建立各环反射镜面在接收窗平面聚焦形成的聚焦光斑的半径模型；
5)基于步骤3)得到的空间方程和步骤4)得到的半径模型，建立以腔体接收器内部的吸热器表面的目标区域的能流均匀性为目标，以各段抛物母线的旋转角度为优化变量的数学模型；
6)采用遗传算法优化步骤5)建立的数学模型，最终确定一个与腔体接收器匹配的非成像碟式聚光器的反射镜的曲面形状，使腔体接收器内部的吸热器表面获得均匀的能流分布。
上述非成像碟式聚光器的设计方法，所述步骤1)中，抛物曲面方程为x2+y2＝4fz，理想抛物母线的焦距为f，理想抛物碟式聚光器的半径为R，沿半径方向等分的数量为K。
上述非成像碟式聚光器的设计方法，所述步骤3)中，新的非成像碟式聚光器的反射镜曲面的空间方程为
式中，A1＝Rk-Rk·cosθk+(f-(Rk)2/4f)sinθk，A2＝-Rksinθk-(f-(Rk)2/4f)cosθk-(Rk)2/4f，A3＝sinθk(Rkcosθk-(-f-(Rk)2/4f)sinθk-Rk)-cosθk(Rksinθk+(-f-(Rk)2/4f)cosθk+(Rk)2/4f)；角θk是第k段抛物母线绕其内端以轴线nk＝[1,0,0]旋转的角度值；Rk是第k环反射镜面的内半径，R是理想抛物碟式聚光器的半径；rk是第k环反射镜面的径向长度，rk＝(R-R1)/K；R1是聚光器中心位置没有安装反射镜的区域。
上述非成像碟式聚光器的设计方法，所述步骤4)中建立的半径模型即第k环形镜面聚焦形成的聚焦光斑的半径，表达式为：
式中，
δ是太阳光锥的半顶角，δ＝4.65mrad。
上述非成像碟式聚光器的设计方法，所述步骤5)中的数学模型为：
Find X＝[θ1,θ2,...,θk,...,θK]
式中，X为决策变量矩阵，是由各段抛物母线的旋转角组成；F(X)是目标函数，即非均匀因子；Nt为吸热器表面的目标区域内离散网格的数量，目标区域为zF∈[h,H]，h是吸热器表面的目标区域的起始位置与接收窗的距离，H是腔体接收器的高度；zF是建立在接收窗平面的坐标系F-xFyFzF的z轴坐标方向，此坐标系与全局坐标系O-xyz平行，目标区域内的网格被称为目标网格单元；Ci是目标网格单元i的局部聚光比，Ci＝Ei/AiW0；Ei是目标网格单元i接收的太阳辐射能，根据步骤3)确定的各环反射镜面的曲面方程并采用光线跟踪方法确定Ei；Ai是目标网格单元i的表面积；W0是太阳直射辐照强度值；Caverage是目标区域内局部聚光比的平均值，在约束条件中，Rconstraint是理想条件下聚焦光斑的限制半径，根据步骤4)由在优化前确定抛物母线k的旋转角θk的取值区间，即θk∈[θk_min,θk_max]，θk_min<0和θk_max>0，Rconstraint<Rwindow；Rwindow是接收窗的半径。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的非成像碟式聚光器的反射镜由多环反射镜面组成，每环反射镜面的曲面方程均不相同，不仅能够显著地提升能流均匀性，还能降低局部聚光比的峰值，从而有效地避免高温热斑的形成，进而提升吸热器的工作寿命和可靠性。
2、本发明的非成像碟式聚光器可以在焦距较小的情况下也能获得均匀能流分布，缩短了圆柱腔体接收器或斯特林热机与聚光器的距离，能减小用于固定接收器或斯特林热机的支撑桁架的长度，从而有利于减小支撑桁架的变形以及其对光学性能的影响。
3、本发明的非成像碟式聚光器的各环反射镜面不是将太阳光聚焦在一个点位置，而是每环反射镜面聚焦在不同的点，从而实现圆柱壁面的能流均匀化，这是抛物碟式聚光器所不具备的。此外，本发明的非成像碟式聚光器具备较优异的聚焦性能，他可以获得较小的聚焦光斑，从而可以选取较小的接收窗半径去减少光学损失和热损失。
4、本发明的非成像碟式聚光器与理想抛物碟式聚光器的反射镜面在空间位置上相差非常小，这意味着非成像碟式聚光器的反射镜面可以直接安装在原来的抛物碟式聚光器的网架结构上，而不需要重新开发新的聚光器网架结构，生产成本低。
附图说明
图1为本发明的非成像碟式聚光器的结构示意图。
图2为本发明的非成像碟式聚光器与抛物碟式聚光器的光线传输对比示意图。
图3为本发明的非成像碟式聚光器的圆柱腔体接收器的结构示意图。
图4为本发明的非成像碟式聚光器的设计流程图。
图5为本发明的非成像碟式聚光器的优化流程图。
图6为采用非成像碟式聚光器与抛物碟式聚光器，圆柱腔体接收器内部圆柱表面的局部聚光比分布图。
图7为R＝7000mm，f＝8450mm和K＝6时腔体接收器内部圆柱吸热器壁面的局部聚光比分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-图3所示，一种非成像碟式聚光器1，包括斯特林热机6、电能输出器8、聚光器17、立柱9、双轴跟踪装置4、支撑桁架5和控制装置7，所述双轴跟踪装置4安装在立柱9顶端，所述控制装置7与双轴跟踪装置4电连接，控制装置7计算太阳的实时位置并控制双轴跟踪装置4的转动，实现非成像碟式聚光器实时跟踪太阳位置；所述支撑桁架5下端与双轴跟踪装置4连接，所述聚光器17包括网架2和反射镜3，网架2中心的U型体与支撑桁架5下端固定连接，反射镜3安装在网架2上，所述反射镜3由多环反射镜面组成，每环反射镜面的曲面方程均不相同，每环反射镜面由多个沿圆周布置的镜面单元构成。
各环反射镜面的生成过程为：在二维平面内，将理想抛物母线沿半径方向划分成K等分，即总共有K环反射镜面，然后将各段抛物母线绕其一个端点旋转一定角度，最后将各母线绕原来理想抛物曲线的焦轴旋转一周形成一个非成像碟式聚光器的反射镜。
如图4所示，一种非成像碟式聚光器的设计方法，包括以下步骤：
1)在理想抛物母线的顶点O位置建立全局坐标系O-xyz，其中z轴指向抛物曲面的焦点F，抛物曲面方程为x2+y2＝4fz，设定理想抛物母线的焦距f、理想抛物碟式聚光器的半径R、沿半径方向等分的数量K以及反射镜的反射率。
2)如图3所示，圆柱腔体接收器被安装在理想抛物碟式聚光器的焦点位置。其中，圆柱形的侧壁面是安装吸热器的区域(称为吸热器表面，其吸收率为σabsorber)；而腔体内部的其他表面均是普通壁面，他们的反射率为ρwall；H是圆柱腔体接收器的高度；Rwindow是接收窗的半径(接收窗位于抛物碟式聚光器的焦平面)；区域zF∈[h,H]是吸热器表面能流均匀化的目标区域。设定腔体接收器的几何参数和壁面反射或吸收参数。腔体接收器安装在原来的理想抛物碟式聚光器的焦点位置，即腔体接收器的接收窗平面位于原来的抛物碟式聚光器的焦平面位置。
3)如图2左侧所示，将各段抛物母线绕其内端点旋转一定角度，建立新的非成像碟式聚光器的反射镜曲面的空间方程：
式中，A1＝Rk-Rk·cosθk+(f-(Rk)2/4f)sinθk，A2＝-Rksinθk-(f-(Rk)2/4f)cosθk-(Rk)2/4f，
A3＝sinθk(Rkcosθk-(-f-(Rk)2/4f)sinθk-Rk)-cosθk(Rksinθk+(-f-(Rk)2/4f)cosθk+(Rk)2/4f)；角θk是第k段抛物母线绕其内端以轴线nk＝[1,0,0]旋转的角度值；Rk是第k环反射镜面的内半径，R是理想抛物碟式聚光器的半径；rk是第k环反射镜面的径向长度，rk＝(R-R1)/K；R1是聚光器中心位置没有安装反射镜的区域。
4)建立各环反射镜面在接收窗平面聚焦形成的聚焦光斑的半径模型，即第k环形镜面聚焦形成的聚焦光斑的半径，表达式为：
式中，
δ是太阳光锥的半顶角，δ＝4.65mrad。
5)建立以腔体接收器内部的吸热器表面的目标区域的能流均匀性为目标，以各段抛物母线的旋转角度为优化变量的数学模型：
Find X＝[θ1,θ2,...,θk,...,θK]
式中，X为决策变量矩阵，是由各段抛物母线的旋转角组成；F(X)是目标函数，即非均匀因子；Nt为吸热器表面的目标区域内离散网格的数量，目标区域为zF∈[h,H]，h是吸热器表面的目标区域的起始位置与接收窗的距离，H是腔体接收器的高度；zF是建立在接收窗平面的坐标系F-xFyFzF的z轴坐标方向，此坐标系与全局坐标系O-xyz平行，目标区域内的网格被称为目标网格单元；Ci是目标网格单元i的局部聚光比，Ci＝Ei/AiW0；Ei是目标网格单元i接收的太阳辐射能，根据步骤3)确定的各环反射镜面的曲面方程并采用光线跟踪方法确定Ei；Ai是目标网格单元i的表面积；W0是太阳直射辐照强度值；Caverage是目标区域内局部聚光比的平均值，在约束条件中，Rconstraint是理想条件下(即无光学误差)聚焦光斑的限制半径，根据步骤4)由在优化前确定抛物母线k的旋转角θk的取值区间(即优化区间)，即θk∈[θk_min,θk_max]，θk_min<0和θk_max>0。考虑到DSC系统实际应用中的光学误差，要求Rconstraint<Rwindow；Rwindow是接收窗的半径(接收窗位于抛物碟式聚光器的焦平面)。
6)采用遗传算法优化步骤5)建立的数学模型，最终确定一个与腔体接收器匹配的非成像碟式聚光器的反射镜的曲面形状，使腔体接收器内部的吸热器表面获得均匀的能流分布，整个优化流程如图5所示。主要是联合了光线跟踪方法和遗传算法去优化非成像碟式聚光器。其中光线跟踪方法用于确定腔体接收器的能流分布，而遗传算法用于优化各段抛物母线的旋转角度。由于光线跟踪方法和遗传算法都是被广泛应用的现有技术，所以此处不再赘述。
表1给出了一个优化算例，聚光器的半径R为7000.0mm(镜面反射率为0.93)，它能在DNI为800W/m2时为腔体接收器提供约114.40kW的太阳辐射能。为了使腔体接收器内部的吸热器表面接收更多的太阳辐射能量，需要最大化吸热器表面的吸收率和普通壁面的反射率。普通壁面的反射率ρwall均设定为0.6，吸热器表面的吸收率σabsorber设定为0.95。最后，在优化模型中，h＝50.0mm和Rconstraint＝100.0mm。优化结果如表2所示。优化算例中他们的非均匀因子均在0.18～0.21之间，说明优化的非成像碟式聚光器能够显著的提升吸热器表面能流分布的均匀性。
表1.太阳能碟式聚光器/腔体接收器系统的几何和光学参数
表2非成像碟式聚光器的优化结果
图6给出了采用非成像碟式聚光器与抛物碟式聚光器，圆柱腔体接收器内部圆柱表面的局部聚光比分布图。图中可以看到，采用理想抛物碟式聚光器时圆柱壁面的局部聚光比均呈现出一个先增加后减小的单峰值变化特征，且均表现出强烈的不均匀和较高的局部聚光比。然而，采用非成像碟式聚光器不仅能够显著的提升能流均匀性，还能降低局部聚光比的峰值，从而有效地避免高温热斑的形成，进而提升吸热器的工作寿命和可靠性。例如，当f＝8450mm时，采用抛物碟式聚光器时局部聚光比的峰值是837.41，而采用非成像碟式聚光器后局部聚光比的峰值能控制在506.63～556.03之间(不同的K值)。图7给出了R＝7000mm,f＝8450mm和K＝6时腔体接收器内部圆柱吸热器壁面的局部聚光器比分布云图，左边为理想抛物碟式聚光器下的能流分布，右边为优化的非成像碟式聚光器下的能流分布。可以看出，能流分布的均匀得到显著的提升。
Claims (8)
1.一种非成像碟式聚光器，其特征在于：包括网架、反射镜、立柱、双轴跟踪装置、支撑桁架和控制装置，所述双轴跟踪装置安装在立柱顶端，所述控制装置与双轴跟踪装置电连接，控制装置计算太阳的实时位置并控制双轴跟踪装置的转动，实现聚光器实时跟踪太阳位置；所述支撑桁架下端与双轴跟踪装置连接，所述网架中心与支撑桁架下端固定连接，反射镜安装在网架上，所述反射镜由多环反射镜面组成，每环反射镜面的曲面方程均不相同。
2.根据权利要求1所述的非成像碟式聚光器，其特征在于：各环反射镜面的生成过程为：在二维平面内，将理想抛物母线沿半径方向划分成K等分，即总共有K环反射镜面，然后将各段抛物母线绕其一个端点旋转一定角度，最后将各母线绕原来理想抛物曲线的焦轴旋转一周形成一个非成像碟式聚光器的反射镜。
3.根据权利要求1所述的非成像碟式聚光器，其特征在于：每环反射镜面由多个沿圆周布置的镜面单元构成。
4.一种根据权利要求1-3中任一项所述的非成像碟式聚光器的设计方法，包括以下步骤：
1)在理想抛物母线的顶点O位置建立全局坐标系O-xyz，其中z轴指向抛物曲面的焦点F，设定理想抛物母线的焦距、理想抛物碟式聚光器的半径、沿半径方向等分的数量以及反射镜的反射率；
2)设定腔体接收器的几何参数和壁面反射或吸收参数，将腔体接收器安装在原来的理想抛物碟式聚光器的焦点位置，即腔体接收器的接收窗平面位于原来的抛物碟式聚光器的焦平面位置；
3)将各段抛物母线绕其内端点旋转一定角度，建立新的非成像碟式聚光器的反射镜曲面的空间方程；
4)建立各环反射镜面在接收窗平面聚焦形成的聚焦光斑的半径模型；
5)基于步骤3)得到的空间方程和步骤4)得到的半径模型，建立以腔体接收器内部的吸热器表面的目标区域的能流均匀性为目标，以各段抛物母线的旋转角度为优化变量的数学模型；
6)采用遗传算法优化步骤5)建立的数学模型，最终确定一个与腔体接收器匹配的非成像碟式聚光器的反射镜的曲面形状，使腔体接收器内部的吸热器表面获得均匀的能流分布。
5.根据权利要求4所述的非成像碟式聚光器的设计方法，其特征在于：所述步骤1)中，抛物曲面方程为x2+y2＝4fz，理想抛物母线的焦距为f，理想抛物碟式聚光器的半径为R，沿半径方向等分的数量为K。
6.根据权利要求5所述的非成像碟式聚光器的设计方法，其特征在于：所述步骤3)中，新的非成像碟式聚光器的反射镜曲面的空间方程为
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式中，A1＝Rk-Rk·cosθk+(f-(Rk)2/4f)sinθk，A2＝-Rksinθk-(f-(Rk)2/4f)cosθk-(Rk)2/4f，A3＝sinθk(Rkcosθk-(-f-(Rk)2/4f)sinθk-Rk)-cosθk(Rksinθk+(-f-(Rk)2/4f)cosθk+(Rk)2/4f)；角θk是第k段抛物母线其内端以轴线nk＝[1,0,0]旋转的角度值；Rk是第k环反射镜面的内半径，R是理想抛物碟式聚光器的半径；rk是第k环反射镜面的径向长度，rk＝(R-R1)/K；R1是聚光器中心位置没有安装反射镜的区域。
7.根据权利要求6所述的非成像碟式聚光器的设计方法，其特征在于：所述步骤4)中建立的半径模型即第k环形镜面聚焦形成的聚焦光斑的半径，表达式为：
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式中， C3＝-rkcosθk-{((Rk+rk)2-(Rk)2)sinθk+4fRk}/4f，C4＝-rksinθk+{((Rk+rk)2-(Rk)2)cosθk+(Rk)2}/4f， δ是太阳光锥的半顶角，δ＝4.65mrad。
8.根据权利要求7所述的非成像碟式聚光器的设计方法，其特征在于：所述步骤5)中的数学模型为：
Find X＝[θ1,θ2,...,θk,...,θK]
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式中，X为决策变量矩阵，是由各段抛物母线的旋转角组成；F(X)是目标函数，即非均匀因子；Nt为吸热器表面的目标区域内离散网格的数量，目标区域为zF∈[h,H]，h是吸热器表面的目标区域的起始位置与接收窗的距离，H是腔体接收器的高度；zF是建立在接收窗平面的坐标系F-xFyFzF的z轴坐标方向，此坐标系与全局坐标系O-xyz平行，目标区域内的网格被称为目标网格单元；Ci是目标网格单元i的局部聚光比，Ci＝Ei/AiW0；Ei是目标网格单元i接收的太阳辐射能，根据步骤3)确定的各环反射镜面的曲面方程并采用光线跟踪方法确定Ei；Ai是目标网格单元i的表面积；W0是太阳直射辐照强度值；Caverage是目标区域内局部聚光比的平均值，在约束条件中，Rconstraint是理想条件下聚焦光斑的限制半径，根据步骤4)由在优化前确定抛物母线k的旋转角θk的取值区间，即θk∈[θk_min,θk_max]，θk_min<0和θk_max>0，Rconstraint<Rwindow；Rwindow是接收窗的半径。
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