[发明专利]一种非成像碟式聚光器及其设计方法

权利要求书

1.一种非成像碟式聚光器的设计方法，其中非成像碟式聚光器包括网架、反射镜、立柱、双轴跟踪装置、支撑桁架和控制装置，所述双轴跟踪装置安装在立柱顶端，所述控制装置与双轴跟踪装置电连接，控制装置计算太阳的实时位置并控制双轴跟踪装置的转动，实现聚光器实时跟踪太阳位置；所述支撑桁架下端与双轴跟踪装置连接，所述网架中心与支撑桁架下端固定连接，反射镜安装在网架上，所述反射镜由多环反射镜面组成，每环反射镜面由多个沿圆周布置的镜面单元构成；每环反射镜面的曲面方程均不相同；

各环反射镜面的生成过程为：在二维平面内，将理想抛物母线沿半径方向划分成K等分，即总共有K环反射镜面，然后将各段抛物母线绕其一个端点旋转一定角度，最后将各母线绕原来理想抛物曲线的焦轴旋转一周形成一个非成像碟式聚光器的反射镜；

设计方法包括以下步骤：

1)在理想抛物母线的顶点O位置建立全局坐标系O-xyz，其中z轴指向抛物曲面的焦点F，设定理想抛物母线的焦距、理想抛物碟式聚光器的半径、沿半径方向等分的数量以及反射镜的反射率；

2)设定腔体接收器的几何参数和壁面反射或吸收参数，将腔体接收器安装在原来的理想抛物碟式聚光器的焦点位置，即腔体接收器的接收窗平面位于原来的抛物碟式聚光器的焦平面位置；

3)将各段抛物母线绕其内端点旋转一定角度，建立新的非成像碟式聚光器的反射镜曲面的空间方程；

新的非成像碟式聚光器的反射镜曲面的空间方程为：

式中，A₁＝R_k-R_k·cosθ_k+(f-(R_k)²/4f)sinθ_k，A₂＝-R_ksinθ_k-(f-(R_k)²/4f)cosθ_k-(R_k)²/4f，

A₃＝sinθ_k(R_kcosθ_k-(-f-(R_k)²/4f)sinθ_k-R_k)-cosθ_k(R_ksinθ_k+(-f-(R_k)²/4f)cosθ_k+(R_k)²/4f)；

角θ_k是第k段抛物母线其内端以轴线n_k＝[1,0,0]旋转的角度值；R_k是第k环反射镜面的内半径，R是理想抛物碟式聚光器的半径；r_k是第k环反射镜面的径向长度，r_k＝(R-R₁)/K；R₁是聚光器中心位置没有安装反射镜的区域；

4)建立各环反射镜面在接收窗平面聚焦形成的聚焦光斑的半径模型；

建立的半径模型即第k环形镜面聚焦形成的聚焦光斑的半径，表达式为：

式中，

C₃＝-r_kcosθ_k-{((R_k+r_k)²-(R_k)²)sinθ_k+4fR_k}/4f，C₄＝-r_ksinθ_k+{((R_k+r_k)²-(R_k)²)cosθ_k+(R_k)²}/4f，

δ是太阳光锥的半顶角，δ＝4.65mrad；

5)基于步骤3)得到的空间方程和步骤4)得到的半径模型，建立以腔体接收器内部的吸热器表面的目标区域的能流均匀性为目标，以各段抛物母线的旋转角度为优化变量的数学模型；

数学模型为：

Find X＝[θ₁,θ₂,...,θ_k,...,θ_K]

式中，X为决策变量矩阵，是由各段抛物母线的旋转角组成；F(X)是目标函数，即非均匀因子；N_t为吸热器表面的目标区域内离散网格的数量，目标区域为z_F∈[h,H]，h是吸热器表面的目标区域的起始位置与接收窗的距离，H是腔体接收器的高度；z_F是建立在接收窗平面的坐标系F-x_Fy_Fz_F的z轴坐标方向，此坐标系与全局坐标系O-xyz平行，目标区域内的网格被称为目标网格单元；C_i是目标网格单元i的局部聚光比，C_i＝E_i/A_iW₀；E_i是目标网格单元i接收的太阳辐射能，根据步骤3)确定的各环反射镜面的曲面方程并采用光线跟踪方法确定E_i；A_i是目标网格单元i的表面积；W₀是太阳直射辐照强度值；C_average是目标区域内局部聚光比的平均值，在约束条件中，R_constraint是理想条件下聚焦光斑的限制半径，根据步骤4)由在优化前确定抛物母线k的旋转角θ_k的取值区间，即θ_k∈[θ_{k_min},θ_{k_max}]，θ_{k_min}<0和θ_{k_max}>0，R_constraint<R_window；R_window是接收窗的半径；

6)采用遗传算法优化步骤5)建立的数学模型，最终确定一个与腔体接收器匹配的非成像碟式聚光器的反射镜的曲面形状，使腔体接收器内部的吸热器表面获得均匀的能流分布。

2.根据权利要求1所述的非成像碟式聚光器的设计方法，其特征在于：所述步骤1)中，抛物曲面方程为x²+y²＝4fz，理想抛物母线的焦距为f，理想抛物碟式聚光器的半径为R，沿半径方向等分的数量为K。