[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

说明书

技术领域

本发明属于太阳能热利用技术领域，具体涉及一种能有效计算系统内光线传播过程、集热特性、太阳能热流分布特性以及工质流动传热特性的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统设计方法。

背景技术

随着经济发展，工业能耗不断增长，能源危机日益严重，新能源的开发及其低成本高效利用研究显得至关重要，发展太阳能热发电技术成为现阶段我们面临的一项重要研究任务。

“十一五”期间，国家继续推进了太阳能热利用的快速发展，进行了万千瓦级太阳能热发电技术研发和试点示范工作。2007年，在《可再生能源中长期发展规划》中又进一步确定将加快推进太阳能发电的产业化发展列为我国可再生能源中长期发展的总目标之一。近期，中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要还专门就太阳能行业编制了“十二五”规划，用以指导太阳能行业未来五年发展。由此可见，发展太阳能热发电技术，作为国家能源战略选择之一，得到了国家的大力推进，其发展前景必将十分壮丽！但同时，我们也要看到我国在太阳能热发电技术研发上还有很长的一段路程要走，许多关键科学和技术问题还需要进一步研究。

太阳光作为一种辐射传播能量，其在太阳能聚焦集热系统内的聚光传热过程是一个极其复杂的光能聚集、转换以及复杂耦合传热的过程。而首先研究透彻其中的光线传播过程、集热特性以及太阳能热流分布特性是进行太阳能热发电系统理论研究的必要基础，也是系统关键热利用部件性能优化与技术创新、提高系统发电效率的重要依据。然而，一般太阳能聚焦集热系统(如塔式、槽式或碟式等等)，都是具有多阶次、多表面的复杂系统。对此，光学领域中已有的商用光学软件在计算时都会存在着计算精度及特定统计等局限性，无法满足本领域特定计算要求，特别是对于多阶多表面复杂非规则吸收面或吸收体内光线传播过程及热流密度分布的求解问题，以及无法进行进一步的数据分析及耦合到流体传热计算。从而，也就无法综合考虑系统型式、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)以及运行工况条件等各种设计要求，来进行多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统的有效设计。在此背景下，人们希望设计一种能有效计算多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统光线传播过程、集热特性、太阳能热流分布特性以及工质流动传热特性的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能有效计算多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统光线传播过程、集热特性、太阳能热流分布特性以及工质流动传热特性的多阶多表面复杂太阳能聚焦集热系统设计方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

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。

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：