【摘 要】
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太阳能作为一种可再生能源,有望在不牺牲我们生活水平的情况下替代传统的化石燃料。为了更高效的利用这一自然资源,太阳能聚光器被广泛的采用在太阳能热收集系统中作为提高系统集热温度和热收集效率的一种有效手段。复合抛物聚光器（CPC:Compound parabolic concentrator）是一种典型的非成像型聚光器,它具有系统稳定性好,光学效率高和可接收角范围大等优点。然而现有的CPC也存在一些问题
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太阳能作为一种可再生能源,有望在不牺牲我们生活水平的情况下替代传统的化石燃料。为了更高效的利用这一自然资源,太阳能聚光器被广泛的采用在太阳能热收集系统中作为提高系统集热温度和热收集效率的一种有效手段。复合抛物聚光器（CPC:Compound parabolic concentrator）是一种典型的非成像型聚光器,它具有系统稳定性好,光学效率高和可接收角范围大等优点。然而现有的CPC也存在一些问题亟待解决,制作CPC反射面所用的大曲率柱面玻璃反射镜在制造、运输和维护方面成本比较高,并且CPC吸收体表面的能量密度分布的极度不均匀。针对现有CPC存在的缺陷与不足,本文提出了一种复合抛物聚光器的平面化优化设计方法,旨在进一步优化CPC的聚能特性,降低综合成本,并对聚光器的各项关键聚能特性指标进行了比较研究。本文获得的研究结果可以为聚光器的优化设计以及太阳能的高效利用提供一定的技术参考。本文的研究工作及其结果主要包括以下几个方面:1.提出了一种基于蒙特卡罗光线追迹法的复合抛物聚光器平面化优化设计方法。进一步地,将多目标遗传算法与该设计方法相结合,并在此基础上对一个具有新颖结构的CPC进行了优化设计,构建了平板反射面总数各不相同的5个复合平面聚光器（M-CPC:Multi-sectioned compound parabolic concentrator）优化模型。通过将多目标遗传算法引入M-CPC的优化设计,减少了大量的无意义选型计算,提高了计算的效率和准确性。结合增材制造技术制作了一个M-CPC实体模型,搭建了一个激光验证实验平台。实验结果和计算结果之间显示出良好的一致性,最大误差为2.20mm,平均误差为0.74 mm。2.对文中构建的M-CPC在优化前后的聚能特性分别开展了计算,计算结果表明所有经过优化设计的M-CPC都能显著地提高吸收体上能量密度分布的均匀性,并在保持高光学效率的同时降低峰值能量密度。在太阳辐射能量密度为1000W/m2的典型辐照条件下,M-CPC5可以将平均能量不均匀系数从2.23降低到0.92,同时其峰值能量密度可以由46002.67 W/m2降低至2851.00 W/m2。平面化反射结构结构避免了极高能光斑的产生,保护了玻璃吸收体和其表面的选择性吸收涂层。3.对M-CPC在优化前后的可接收角数值求解与分析,结果表明CPC经过平面化优化设计之后,其可接收角范围均得到了扩大,M-CPC5的可接收角范围由标准CPC的-60°至60°扩大到了-70°至+70°。并且,M-CPC能够解决传统CPC吸收体表面能量密度突然变化而引起的吸收体骤冷骤热的问题,提高了系统的稳定性,降低了聚光系统对天空辐射条件的选择性。并且随着M-CPC平板反射面总数的增加,聚光器的各项聚能特性将会越来越接近与作为基础模型的CPC。4.基于地区典型气象年数据和太阳辐射直散分离理论,构建了聚光器的年度采光量数学模型,通过计算得到了5个M-CPC的年度平均可收集太阳辐射能量的数值解。结果表明,在光口沿南北方向水平放置的采光条件下,M-CPC5的年采光总量为3717.86 MJ/m2,年采光效率为68.39%。采集的总辐射能中有约43.6%来自天空散辐射,这有助于帮助CPC抵御天气的瞬态变化。水平放置避免了聚光器底部的支架结构,维持聚光器的低重心。并且避免了聚光器之间的遮荫问题,提升了场地的利用率。
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