碟式太阳能非成像反射镜的研究

摘要

太阳能作为一种清洁可再生能源，被人们誉为21世纪最有希望的能源。在太阳能的利用当中，碟式太阳能聚光系统作为一种点聚焦的太阳能利用系统被广泛采用。其主要原理是利用碟式抛物面聚光器将太阳光汇聚到接收器上。然而，碟式抛物面聚光器作为一种成像聚光镜，具有成像聚光光斑不均匀，温度分布不均匀等现象，这对于一些对于聚光均匀性要求较高的系统比如聚光光伏系统（CPV）、碟面/斯特林发动机系统具有不良影响。因此设计出其他镜面，主要是非成像镜面来获得均匀的光流分布很有必要。
　　首先，根据两种不同的光路推导出两种非成像反射镜碟面的微分方程（A型和B型）。然后提出了具体的两种碟面的具体数值算例，通过理论平行光的汇聚来校核碟面方程的理论推导，同时分析不同的几何参数对非成像反射镜碟面聚光性能的影响。接着给出了几个具体的A型和B型碟面的设计过程，利用三维软件建立几何模型后导入专业的射线跟踪软件进行模拟，得到的热流图再与相同几何参数的抛物面进行对比。结果表明：A型B型碟面均比抛物面聚光均匀性要强。非成像反射镜A型和B型可能用于单电池聚光光伏系统，以及多电池聚光光伏系统和碟面/斯特林发动机系统，这主要是由于这几种系统对太阳能聚光的均匀性要求较高。
　　然后，基于非成像二次反射镜，利用非成像反射镜的设计原理，提出了优化非成像二次反射镜。非成像二次反射镜（NIS）的将母线方程是多项式的曲线绕对称轴旋转而成，但是其聚光均匀性不好。优化的非成像反射镜包括凸型和凹形两种，是将基于微分方程描述的母线绕对称轴旋转而成。然后，将优化二次非成像反射镜的聚光热流图与分别用线性、二次式、三次式母线设计的二次非成像反射镜进行对比。优化非成像二次反射镜比其他几种基于多项式描述的二次非成像反射镜的聚光均匀性都要优越，同时由于优化二次非成像反射镜是采用微分方程描述，母线的确定仅仅需要一个初始点作为迭代计算起始点，因此设计过程也相对简化了许多。对于优化非成像二次反射镜，主要可能的领域是多电池聚光光伏系统和碟面/斯特林发动机系统。同时在实际应用中，还存在其他可能的问题，比如碟面的加工问题以及其他更合适的尚未发现的领域。

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1 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3研究内容

2非成像反射镜设计

2.1前言

2.2非成像反射镜的设计方法

2.3非成像反射镜的理论校核以及数值模拟

2.4几何参数对非成像反射镜性能的影响

2.5非成像反射镜的性能评估

2.6非成像反射镜的可能应用领域

2.7本章小结

3 非成像二次反射镜的优化设计

3.1前言

3.2 非成像二次反射镜的介绍

3.3 非成像二次反射镜优化设计

3.4优化后非成像二次反射镜性能评估

3.5优化非成像反射镜的可能利用领域

3.6本章小结

4结论和展望

4.1结论

4.2研究创新点

4.3展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间的科研成果