[发明专利]一种多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统设计方法

权利要求书

1.一种多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统设计方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据待设计的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统的设计型式要求，建立对应光学系统的通用三维数学模型；

2)针对所建立光学系统的通用三维数学模型，采用蒙特卡罗光线追迹MCRT方法进行光学计算，获得该光学系统内光线传播过程、光学效率、光热聚集以及太阳能热流分布特性；

3)以光学效率及光热分布均匀性为考核依据，重复步骤1)-2)，直至所设计的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热光学系统数学模型达到所需要的光学效率与光热分布均匀性的设计要求；

4)对应于步骤1)-3)反复设计所得到的光学系统数学模型，在设计要求运行工况条件下以及通用计算流体与传热平台FVM-FLUENT中建立与其对应的数值计算模型，并将蒙特卡罗光线追迹MCRT方法计算获得的太阳能热流分布与该数值计算模型耦合，进行光-热-流体耦合计算，获得系统内工质流体流动性能、传热过程及系统热性能或热效率特性；

5)在设计要求运行工况条件下，以系统内工质流体流动传热性能及系统热性能或热效率为考核依据，重复步骤1)-4)，直至所设计的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统完全符合光学效率、光热分布均匀性、工质流体流动性能以及系统热性能或热效率各项设计要求为止。

2.根据权利要求1所述的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统设计方法，其特征在于：所述的步骤1)采用统一的几何结构表达形式建立对应设计型式要求下的光学系统通用三维几何结构模型，即光学系统三维几何结构统一采用包含35个方程系数的4阶通式方程式来建立，但对于低于4阶的各阶表面，其高阶次系数通过自动赋零值来实现即可；

4阶通式方程表达式如下：

F4(x,y,z)=Σn=135Cnxiyjzk=0---(1)]]>

式(1)中C_n为4阶通式方程左侧各项的系数，下标从1到35，i、j、k分别为各项中x、y及z的整数幂指数，各自范围在0-4之间，但同时每一项的i，j，k三者之和的范围也必须在0-4之间；

然后，将该光学系统设计分成若干具有简单光学特性的子系统层次，即各子系统层次是由尽可能少的实际表面或虚拟表面分割包围而成，且其中所含介质必为简单的同一均匀介质以及不同时包含太阳辐射参与性与非参与性两类介质；并对各子系统层次及其表面采用统一编号方法进行编号区分；将各子系统组成表面设计分为“黑体物质表面或完全吸收物质表面”、“一般物质表面”即“非透明质表面”与“一般透明质表面”及“虚拟透过表面”，并采用统一表达形式描述其光学物理特征，即统一的光学物性参数表达形式。

3.根据权利要求1所述的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统设计方法，其特征在于：所述的步骤2)是将太阳光在系统中辐射传播过程分由大量光束携带，采用由大量随机数控制的蒙特卡罗方法进行追迹计算及统计，即把入射太阳辐射近似为大量抽样光束，每条光束携带相同能量，而光线入射位置及入射方向由一定的概率模型确定，该概率模型的概率密度分布是均匀或非均匀的，对于均匀分布情形，随机变量的取值概率直接利用伪随机数发生器生成随机数ξ来计算，而对于非均匀分布情形，随机变量的取值概率需由下式来确定：

∫0χρ(χ)dχ=ξ,ξ∈(0,1)---(2)]]>

式(2)中χ是随机变量，ρ(χ)为概率密度函数；

然后，跟踪计算光线与非参与性介质子系统层次各表面实际交点或在参与性介质子系统层次中到达位置，判断每束光线的反射、折射、吸收及散射的光学过程，并进行相应统计；计算获得该光学系统内光线传播过程、光学效率、光热聚集以及太阳能热流分布特性。