一种三维聚光系统的光线追迹与接收器窗口优化

摘要

对一种新型聚光系统的基本原理作了简单介绍,并依照实际尺寸在UG软件上进行计算机三维建模,然后利用光学分析软件LightTools对其进行光线追迹分析,考察其出光口的出射光束随入射光束的变化情况。通过追迹模拟,直观地看到出射光束在聚光系统焦平面上所形成的焦斑大小、形状、能量分布和焦斑中心位置随入射光束的类型和入射偏角的变化情况。对于不同的入射光束类型的模拟结果显示,发散光束对应的焦斑最小,平行光束的焦斑次之,汇聚光束对应的焦斑最大。这结果与通常的直觉判断有所不同,为此特别对此结果进行了详细地分析。通过对不同的入射偏角进行的光线追迹模拟,获得了光斑的最大直径与光斑中心偏移量随偏角的变化曲线,以及光线传输率随偏角的变化曲线。当入射偏角不大于0.4°时,此聚光系统对模拟太阳光的传输率不低于98.7%;当入射偏角不大于2.0°时,则不低于82%。根据模拟的结果,计算出了聚光系统的几何聚光比为1 966.4。最后,借助光线追迹模拟所得的光斑变化结果,对连接在聚光系统底部的一种接收器——太阳能储能炉的进光窗口的设计进行优化,这对其他类型的接收器接收窗口的优化同样具有很好的指导意义。