槽式挠曲柱面聚光镜组设计及误差分析

摘要

太阳能光热发电是一种非常具有潜质的可再生能源发电技术，清洁低碳、节能减排，是人类解决能源短缺、减少环境污染和应对全球气候变暖的有效手段，世界各国正竞相发展太阳能热发电技术。抛物槽式技术最成熟，商业化早，但还存在投资成本高，光电效率低，电价贵的缺点，降低设备成本、提高光电效率是其未来的发展趋势。本文从降低太阳能集热器成本及提高其光学效率的目的出发，提出了一种新型的聚光反射镜—挠曲柱面镜，工艺简单、成本低，光学特性优良，并可用于设计聚光镜组。主要的研究内容和结论如下:
　　首先，介绍了挠曲柱面镜的空心模具简支热弯成型原理，拥有自主研发的制作工艺流程且已申请专利，并通过挠曲柱面镜的面形坐标测量实验验证了成形理论的正确性。
　　其次，研究了挠曲柱面镜的光谱特征、基本聚光特性及其几何影响因子。挠曲柱面镜利用玻璃薄板在空心模具简支条件下自由成型，表面光滑度非常好，粗糙度Ra测量实验表明:镜面上97.25％的点Ra＜18nm，这样的镜面可对包含99％太阳辐射能的能量波段0.3-3μm的光线发生镜面反射。原始挠曲柱面镜的聚光呈现出中间镜面聚光快而紧密，边缘镜面聚光松散的特点，通过裁切可显著提高其聚光比。几何影响因子的分析表明:裁切比Ta不应以追求最大聚光比为目的，应追求经济的裁切方案Ta,c;热弯跨度l增加，最大挠度ymax会增大，焦距f会缩小，而截除比例Ta不同焦斑宽度W的变化呈现不同的趋势;玻璃厚度h增加，会引起经济裁切比例Ta,c增大，但应考虑玻璃的易碎性与成本因数，h不应太小;玻璃宽度b过大会引起挠曲柱面镜的二维变形，焦斑发散，应合理选择;入射角的存在影响焦斑大小位置和焦距长段，可据此特性设计聚光镜组。
　　然后，在分析挠曲柱面镜的聚光特点之后，重点研究了挠曲柱镜的使用研究。包括编写了挠曲柱面镜光路分析软件，用于设计挠曲柱面聚光镜组;介绍了镜组的设计与制造方法;单面挠曲柱面镜与邢台镜组样机的光路测试表明挠曲柱面镜的聚光特性与理论相符且挠曲柱面镜组的设计可以成功实现;制作经验表明挠曲柱面镜的规模化制作成本为153元/m2，只有抛物面玻璃反射镜成本(约260-390元/m2)的一半左右，成本低廉，使用玻璃制作，耐久性很可靠，具有较好的发展前景。
　　最后，从面形误差、安装误差两方面量化分析了挠曲柱面镜的聚光误差，验证并确保其生产和使用的可实现性和精度。分析结果表明:模具横梁不平行的异面高差d不超过0.5mm是可以接受的;长1000mm、钢管加角钢制作的横梁600℃时的挠曲变形量y约为1.7mm＜2mm，中间不必加支撑件;玻璃宽度b的可容许限为4000mm，可以将现有的生产效率提高300％;镜组光路调试可以大大减小安装引起的聚光误差。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 国内外太阳能聚光热发电技术(CSP)的研究进展

1．1．2 太阳能聚光热发电技术面临的问题

1．2 槽式聚光集热器的发展现状

1．2．1 抛物槽形集热器的发展

1．2．2 集热器的成本

1．2．3 反射镜的研究现状及制作工艺

1．2．4 线聚焦集热器的发展面临的问题和挑战

1．3 研究目的、技术路线及内容

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究技术路线

1．3．3 研究内容

1．4 本章小结

第二章 挠曲柱面反射镜的成型原理

2．1 引言

2．2 挠曲柱面镜的成型原理

2．2．1 挠曲变形理论

2．2．2 玻璃的挠曲线理论方程

2．3 挠曲柱面反射镜的制作工艺

2．3．1 制作条件

2．3．2 制作工艺流程

2．4 挠曲柱面反射镜的成型实验验证

2．4．1 实验用具及设备

2．4．2 部分实验数据

2．4．3 数据处理及结果分析

2．5 本章小结

第三章 挠曲柱面反射镜的聚光特性分析

3．1 引言

3．2 挠曲柱面镜的光谱特性

3．2．1 表面粗糙度Ra测量实验

3．2．2 实验数据处理及结论

3．3 原始挠曲柱面镜的基本聚光光路

3．3．1 原始挠曲柱面镜的聚光特性

3．3．2 裁切后挠曲柱面镜的聚光特性

3．4 聚光特性的几何影响因子

3．4．1 裁切方案Ta

3．4．2 热弯跨度l

3．4．3 玻璃厚度h

3．4．4 玻璃宽度b

3．4．5 光线入射角Φ

3．5 本章小结

第四章 挠曲柱面聚光镜组设计

4．1 挠曲柱面聚光镜组的设计思路

4．2 镜组设计工具介绍

4．2．1 挠曲柱面镜光路绘制软件的设计目的

4．2．2 挠曲柱面镜光路绘制软件的设计依据

4．2．3 光路分析软件的使用方法

4．3 镜组设计过程及示范

4．3．1 镜组设计初始参数的确定方法

4．3．2 设计步骤

4．3．3 设计示范

4．3．4 设计注意事项

4．4 一种镜组建造实例介绍

4．4．1 邢台挠曲柱面镜组样机

4．4．2 单镜与镜组的光路测试

4．4．3 成本分析

4．5 本章小结

第五章 挠曲柱面镜的聚光误差分析

5．1 引言

5．2 挠曲柱面镜聚光误差产生的原因

5．3 挠曲柱面聚光镜面形误差分析

5．3．1 模具误差

5．3．2 玻璃尺寸误差

5．4 挠曲柱面聚光镜组及吸热管的安装误差分析

5．4．1 镜组镜面安装误差

5．4．2 吸热管位置误差

5．4．3 吸热管高温下的挠曲变形

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间科研成果目录

附录