高效能太阳能聚光器的优化设计研究

摘要

太阳辐射是一种清洁的、可再生的、可持续的并且可以大范围利用的能源。但与传统形式的能源相比,辐射到地球表面的太阳辐射能流密度非常低,仅为1kW/m2,因此需要把太阳辐射聚集起来以获得较高的能量转化效率。抛物面聚光器的广泛应用证明它是一种提高聚能效率的有效方法。抛物面聚光器是许多太阳能系统一个重要的组成部分,特别是太阳光收集器。大尺寸和高精度的要求致使抛物面集光器设计、制造,装配及运输成本都非常昂贵。
　　本文提出了一种研制高精度抛物柱面聚光器的新方法,称为优化抛物面法。优化抛物面的聚光镜由一张平薄且高柔性的金属片组成,其工作表面贴有高反射性材料。在聚光镜背面粘附一个支撑带,支撑带的形状经过优化设计,以使支撑带的两个端点被相对拉近时,能形成一个高精度的抛物面。同时根据欧拉-伯努利梁弯曲方程,建立了优化支撑带宽度和厚度的数学分析模型。
　　大尺寸的旋转抛物面聚光器也是许多太阳能系统常用的一个重要部件。与抛物柱面相似,要求其形状达到较高的精度,因此也导致了昂贵的设计、制造和运输成本。考虑能量利用效率,本文提出了一种针对大尺寸旋转抛物面聚光镜的优化和制造的方法,称之为―优化花瓣法‖。花瓣式聚光器由数个相同优化形状且具有高反射性能表面的花瓣式平薄金属板组成。由于计算而得金属花瓣厚度是连续变化的,加工难度大,本文提出采用层压式结构近似代替花瓣的连续变化厚度。多层花瓣的支撑层贴附在工作层的背面;工作层正面贴有高反射性材料。这些支撑层的形状是经过优化的。金属花瓣两端通过绳索被拉近时能形成抛物面形状。同时建立了一个用于优化金属花瓣形状和厚度的数学分析模型。
　　本论文提出了两个聚光器光学性能评价指标:最大的聚焦误差和聚光效率。最大聚焦误差用来评价优化槽式抛物面聚光器的最优设计,聚能效率用来评价花瓣式聚光器的光学性能。同时,这两个指标也用来作为用有限元形状优化算法的优化目标。本文也提出了一种有限元形状优化方法,该把有限元方法和傅里叶级数结合起来,用优化有限离散变量的方法来近似代替槽状或花瓣式抛物面刚度连续函数,EI(s)。
　　本文建立了两个能够在焦平面上获得均匀能流密度特性的类抛物线数学模型,旨在聚焦区域获得均匀的能量分布,并得到了用于设计槽式和旋转抛物面聚光器的二维抛物线和三维旋转抛物面的数学模型解析解。
　　本文提出了一种由圆弧壳体通过多点施力进行抛物壳体成型的方法,建立了该方法的数学解析模型,得到了消除位移误差所对应的分布控制力,该方法具有工程可实施性。
　　文中所提出的设计聚光器的优化方法,通过有限元分析、数值优化和实验进行了验证。这些方法采用平面薄板设计制造聚光器,提高了加工和运输到工作地点的效率,而且可以很容易地组装成槽状抛物面或旋转抛物面聚光器。本方法与传统方法相比,具有相当大的削减成本的潜力。

目录

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摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1课题来源

1.2研究目的和意义

1.3研究背景

1.4 研究现状

1.5 研究范畴和目标

1.6 本文的主要研究内容

第2章 力学分析模型

2.1 数学基础

2.2 欧拉-伯努利梁方程

2.3 形状优化模型

2.4 任意目标曲线的优化支撑带

2.5 本章小结

第3章 光学基础与聚能性能衡量准则

3.1 光的反射定律

3.2 聚焦误差和聚光比

3.3 聚能效率

3.4 聚焦区域光能等通量曲面解析

3.5 等距反射条件下聚焦区域等能流密度的曲面解析

3.6本章小结

第4章 有限元形状优化方法

4.1 有限元分析

4.2 有限元形状优化方法

4.3 多层花瓣式设计

4.4 本章小结

第5章 圆柱面变形为抛物槽面分布力优化方法研究

5.1 数学模型

5.2 优化方法

5.3 目标抛物线研究

5.4 研究实例

5.5本章小结

第6章 实验研究

6.1 带状槽面镜实验研究

6.2 碟式聚光器实验研究

6.3本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致谢

个人简历

附录 符号与缩写