小型太阳能聚光镜的优化设计.doc

小型太阳能聚光镜的优化设计 张晓晨 张勇 秦思 康剑南 赵明阳能源科学与工程学院指导教师：谈和平一、课题研究目的本课题基于ZEMAX光学软件对太阳能聚光镜面型进行了优化设计，搭建聚光实验平台以验证数值仿真的可信度。通过优化镜面参数，以聚光比、光斑热流均匀度及入射光敏性等参数为目标函数，获得了超环面和菲涅尔反射面是较理想的面型选择。优化结果表明，超环面和菲涅尔反射面在保证一定聚光比的前提下，可以大大降低聚光镜对光线入射角的敏感度，这不仅简化了复杂的太阳实时跟踪系统，缩减了应用成本，还为太阳能的规模化低成本利用提供了新思路。二、课题背景太阳能既是一次能源，又是可再生能源，其资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。小型太阳能聚光镜的优点在于便于拆装、运输，适合于小功率太阳能利用场合，尤其用于我国西北或西南太阳能丰富而矿产资源和电力供应较贫乏的地区，可以改善人们的生活水平和生活质量，正响应了国家的环保节能举措。但是太阳能的收集和利用具有如下两个缺点：一是能流密度低；二是其强度受各种因素的影响难以维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。目前国内外有关太阳能聚光镜的研究已有很大进展。中国科技大学陈天应教授发明的“陈氏曲面镜”，其镜面是高次曲面。这种曲面镜采用了同时聚光和跟踪的设计思路，能够有效地消除太阳光斑的像差，而且比传统几何镜面（球面或抛物面等）的聚光倍数大幅度提高，但这种镜面的加工技术和成本较高。又如中科院太阳能研究所与皇明太阳能公司等单位合作，研究出的超轻型结构的反射面，解决了使用平面玻璃制作曲面镜的问题，但这种定日镜自身难以逾越的缺点是反射率较低、结构复杂。而采用传统玻璃反射镜的优点是其重量轻，抗变型能力强，反射率高，易清洁等。三、课题研究主要内容目前碟型抛物面聚光镜存在反射镜曲面对光线入射角度过于敏感的缺点，造成聚光光斑各项参数指标随入射角度变化过大，影响整个聚光系统的效率。ZEMAX是用于光学系统设计分析和优化处理的光学专业软件，本课题主要利用该软件设计和分析太阳能聚光镜面，通过参数选择、仿真验证、优化设计等方法对若干种曲面反射镜的太阳能聚光过程进行仿真分析。本实验项目在露天环境下的抛物镜聚光实验基础上利用ZEMAX软件特有功能设计出三种新型聚光曲面，超环面、双圆锥系数曲面和菲涅尔反射面。在不同入射光线的投射下对上述三种面型进行太阳能聚集过程仿真，得到各曲面的聚光光斑参数并绘制出聚光性能图。其中超环面和菲涅尔反射面在聚光镜中的应用是本领域内的一次创新尝试，其对光线入射角度的低敏感性可以在一定程度上简化复杂而昂贵的太阳实时跟踪系统，大大削减了太阳能聚光装置的开发成本，为太阳能的规模化应用提供了新思路。 四、结论本课题应用专业光学软件ZEMAX对太阳光线的聚集过程进行模拟仿真。通过对十万束太阳光线的追迹计算，以露天环境下的抛物面聚光镜实验为依托设计仿真出三种新式镜面的聚光过程，并对部分设计参数进行了优化。课题主要工作与结论如下：1. 深入学习ZEMAX软件并熟悉对反射镜面聚光过程进行仿真的方法。本课题用到ZEMAX诸多功能，如光线追迹、公差分析、优化参数、NSC模式仿真、用户自定义面型设计和结果报告等。通过对多种面型在不同光线追迹模式中的构造与仿真，获得可用于光学镜面设计制作的重要参数。2.本小组在哈工大航空航天热物理研究所的帮助下搭建抛物面聚光镜实验台并进行了仿真，其结果在光斑尺寸和聚光温度方面与真实聚光数据相吻合，达到了仿真的目的并验证了作者运用ZEMAX软件实现聚光过程仿真的能力。3. 本课题以抛物镜面参数为参考设计了三种新式反射聚光镜面。光源口径1200mm，光源入射能量210W，光线追迹总数100000，分别对超环面、双圆锥系数曲面和菲涅尔反射表面的聚光过程进行了仿真，得到一系列不同入射角度情况下的光斑数据，可用于创新面型的设计和制作：（1）入射角度在015时，超环面的聚光光斑尺寸最小，而光斑直径变化最小的是菲涅尔反射表面，双圆锥系数表面的聚光性能处于两者之间。当入射角度大于15时，双圆锥系数表面聚光光斑直径骤然增大，超环面和菲涅尔表面的光斑尺寸变化不大，超环面光斑直径具有随入射角度增大而减小的趋势；（2）三种新式表面的聚光能量均随光线入射角度的增加而减小。入射角在015范围内时，超环面聚光光斑具有较高能量，菲涅尔表面的光斑能量最低。当入射角度增加至15以上时，超环面光斑能量骤然下降，双圆锥系数表面光斑能量在015范围内基本呈线性缓慢下降。相比之下，菲涅尔聚光表面的光斑能量要比以上两种曲面低5%左右；（3）超环面和菲涅尔表面在聚光光斑的峰值能量强度方面具有很大优势，其光斑的峰值能量强度波动范围不大。超环面光斑峰值能量强度最高，表明其光斑分布较不均匀，会造成能量接收器的局部烧坏现象，而菲涅尔表面无论是在波动趋势及能量强度方面均表现出良好的性能；5. 新型聚光曲面的不足之处聚光比低可以通过继续修改面型以求优化。在实际应用中可根据不同地区不同日照情况对新式面型进行参数修改，以达到最优化设计的目的，如在超环面方程中加入部分系数项可继续按需改进面型。因此以上三种新式太阳能聚光镜曲面具有很大的发展潜力。聚光实验原理图及部分光斑照片新式镜面仿模型及其聚光特性比较图五、问题、体会与收获本项目已经实施并进行了十个月，在这段时间里我们课题组成员经过不断探索、不懈努力获得了一点小小的科研成果，大家感慨颇深。我们体验了一种从零开始学习从未涉及过学科的宝贵经历。从对项目完全的陌生到熟练应用软件进行建模分析、参数选择、优化设计的整个循序渐进的过程是我们最大的收获。课题中遇到许多困难，如低年级同学不会搜集资料，校内上外文资源网查阅不便，专业软件无正式中文版教材，科研进度缓慢不前等等，曾在很大程度上打击了我们本科生科研的信心和积极性。但彼此之间真诚的鼓励让我们克服了种种困难，让我们的项目走到了今天。团队合作的精神与组员们彼此间的互相帮助也是我们不小的收获。在项目进行过程中，我们体会到一个科研项目的进展必须依靠许多同事共同努力才能有所造诣。来自指导老师和各位师兄的谆谆教导使我们对科研有了更深层次的体会。在这里我要特别感谢航空航天热物理所的帅永师兄在这段时间里对我的指导和帮助。初期学习光学软件的过程中，谈老师为我们提供了计算机及其他项目所需设施，加速了项目的进程，让我们有一个非常良好的科研环境。搭建实验台的过程让我们体会到制作实验装置需要完全的投入和绝对的耐心，在数据统计和实验记录方面来不得半点马虎，甚至连镜面粘贴工作都必须一丝不苟的完成，否则会在实验中出现巨大误差，造成实验失败的严重后果。从这一方面来讲，本课题历练了我们科研应具备的性格和素质，为日后研究生阶段的科研工作打下了坚实的基础。ZEMAX软件的学习与使用是本课题的基础，也是项目进行过程中为期最长，最耗精力的过程。持续半年的软件学习经历让我对国外优秀光学软件有了深刻的了解，其简单易懂的设计原理与友好的界面更增加了我学习的兴趣，尤其是其内嵌的强大优化功能，使我更加惊叹于软件设计者惊人的创新思维与编程能力。在此，希望国产专业软件也能尽快达到如此设计水准，增强我们国家自己的工业设计能力。六、结束语与致谢在即将完成本课题之际，首先感谢我们的导师谈和平教授，感谢谈老师在学习和生活中给予我的帮助。谈老师严于律己、宽厚待人的品质是我们学习的榜样。谈老师渊博的知识、独到的见解、一丝不苟的治学态度都使我获益匪浅。感谢航空航天热物理研究所的帅永师兄在专业知识，科研材料以及实验台搭建方面给予我们的耐心指点和热心帮助。特别是在项目中期，帅永师兄给予我们的帮助在很大程度上促进了项目的顺利进行和项目负责人撰写的创新性论文的发表。七、参考文献1 周庆凡，朱又红. 从世界能源统计数据看中国能源现状. 中国能源.2005，27（11）:40-422 陈劲松. 人类理想的能源. 太阳能.百科知识,2004,（228）3 张文进，孙利国，刘晓辉，徐宁，王军太阳能发电技术现状与前景.太阳能, 2006(4)4 帅永，张晓峰，谈和平.抛物面式太阳能聚能系统聚光特性模拟.工程热物理学报.2006, 27(3)5 Xiudong Wei, Zhenwu Lu, Zi Lin, Hongxin Zhang, Zhengguo Ni. Optimization Procedure for Design of Heliostat Field Layout of a 1MWe Solar Tower Thermal Power Plant. Proc. of SPIE, 2007, 6841(19)6 A.B.Larbi. A New Design of a (3D) Fresnel Collector With Fixed Mirrors and Tracking Absorber. Journal of Solar Energy Engineering ASME, 2000, 122(2); 63-687 A.B.Larbi, M.Godin, J.Lucas. Analysis of Two Models of (3D) Fresnel Collectors Operating in The Fixed-Aperture Mode with a Tracking Absorber. Solar Energy, 2000, 69(1):1-148 C.Quincy, Murphree. A Point Focusing Double Parabolic Trough Concentrator. Solar Energy, 2001, 70(2):85-949 刘惠国. 贝壳形太阳能聚光面的设计.太阳能学报.1999，20（3）；347-35110 王成良，李湘宁，贺莉清.应用ZEMAX软件构造特殊面型.光学仪器，2001,23(3)11 Thomas L. R. Davenport. Optimizing Concentrating Solar Collection Systems Considering Integrated Performance Over Time Band and Location. Proc. of SPIE, 2007(66520D) ：1-912 李晓彤，岑兆丰.几何光学相差光学设计.第1版.浙江大学出版社,2003:3-613 S. Vives, E. Prieto, G. Moretto, M. Saisse. Modeling a Slicer Mirror Using ZEMAX User-defined Surface. New Astronomy Reviews, 2006, 50: 271-27414 Vinson B. Huegele. Optical Design of SHASM: Segmented Hexagon Array Solar Mirror. Proc. of SPIE, 2000, 4093:333-33915 Y.T.Chen, K.K.Chong, C.S.Lim, B.H.Lim, K.K.Tam, Omar Aliman, T.P.Bligh, B.K.Tan, Ghazally Ismail. Report of the First Prototype of Non-imaging Focusing Heliostat and Its Application in High Temperature Solar Furnace. Solar Energy, 2002, 72(6):531-54416 Pierre Garcia, Alain Ferriere, Jean-Jacques Bezian. Codes fo