太阳能聚光器聚焦光斑能流密度分布的理论与实验研究

摘要

太阳能聚光器聚焦光斑能流密度分布的理论与测试技术研究对最优化系统效率起到关键作用，为了使接收面上的太阳能流密度得到重新分配，需要在考虑多种因素的基础上研究它的理论模型，另外在理论分析的基础上，能流密度分布的测量在实际应用中也具有重要意义。
　　本课题的研究目的是对抛物面聚光器聚焦光斑能流密度分布进行理论计算，同时考虑多种因素的影响；另外在吸收国外先进经验的基础之上，结合我国太阳能技术研究的需求，研制一套旋转抛物面聚光器聚焦光斑能流密度分布测试系统，并进行实验研究。具体说来，本文主要完成了以下几方面的研究工作：
　　1.抛物面聚光器聚焦光斑能流密度分布的MonteCarlo估计。对聚光系统进行光路分析，并对接收面的能流密度分布进行计算，更全面地考虑了影响能流密度分布的主要因素，使计算模型更加接近于实际情况，并且分析了各项因素对能流密度分布的影响；以MonteCarlo方法为基础，提出了旋转抛物面聚光器的优化设计方法，考虑了粘贴小平面镜片后的缝隙面积损失，得出镜片在径向和周向上的最佳数目，为该种面型聚光器的制作提供依据。
　　2.抛物面聚光器聚焦光斑能流密度分布的有限元分析。结合聚光系统的光学特性采用有限元法对旋转抛物面聚光器和抛物柱面聚光器聚焦光斑能流密度分布进行计算，通过与MonteCarlo法计算结果进行比较，验证了该方法的正确性；为了证明该方法的通用性，又对半球形接收器和圆柱形接收器进行实例计算，对于其它面型聚光器和其它形状接收器，只要改变网格剖分方法，就可以实现聚焦光斑能流密度分布的计算，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，而且为能流密度分布的计算提供了一条新思路。
　　3.旋转抛物面聚光器聚焦光斑能流密度分布测量装置的研制。采用基于CCD相机和朗伯靶的间接方法，研制一套点聚焦聚光设备的能流密度分布测量装置。对测量系统进行总体设计，并研究了接收面上能流密度和测点坐标的标定方法，同时对CCD相机的非线性和非均匀性进行校正。
　　4.旋转抛物面聚光器聚焦光斑能流密度分布的实验研究。利用测量装置对焦平面和多个离焦面内的能流密度分布进行测量，并分析每个面内的聚焦光斑特性。将焦平面能流密度分布测量结果与MonteCarlo方法计算结果进行比较。另外，计算了评价聚光系统性能的一些参数，包括光学效率、几何聚光比、能量聚光比和接收器上能流密度最大不一致性的相对百分比。最后，对系统的不确定度进行分析。

目录

太阳能聚光器聚焦光斑能流密度分布的理论与实验研究

THEORETICAL AND EXPERIMENTAL RESEARCH OF FOCAL SPOT FLUX DENSITY DISTRIBUTION OF SOLAR ENERGY CONCENTRATORS

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 太阳能利用的国内外研究状况

1.3 聚光器聚焦光斑能流密度分布计算研究现状

1.4 聚光器聚焦光斑能流密度分布测量技术研究概况

1.5 本论文的主要研究内容

第2章 聚焦光斑能流密度分布的Monte Carlo估计

2.1 Monte Carlo方法的基本思想

2.2 Monte Carlo数学模型的建立

2.3 模拟结果及分析

2.4 各项因素对聚焦光斑能流密度分布的影响

2.5 旋转抛物面聚光器优化设计方法

2.6 本章小结

第3章 聚焦光斑能流密度分布的有限元分析

3.1 有限元法的基本思想

3.2 能流密度分布的基本计算公式

3.3 聚光系统有限元模型的建立

3.4 旋转抛物面聚光器的有限元分析

3.5 其他面型聚光器和其他形状接收器的有限元分析

3.6 本章小结

第4章 聚焦光斑能流密度分布测量系统研制

4.1 总体方案的确定

4.2 能流密度的标定

4.3 测点坐标的标定

4.4 CCD的非线性校正

4.5 CCD的非均匀性校正

4.6 本章小结

第5章 实验研究和不确定度分析

5.1 能流密度测量结果与光斑特性分析

5.2 测量结果与Monte Carlo法计算结果的比较

5.3 聚光器光学性能参数的计算

5.4 测量结果不确定度分析

5.5 本章小结

结 论

参考文献

附录1

附录2

附录3

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历