[发明专利]一种非成像碟式聚光器及其设计方法

说明书

本发明公开了一种非成像碟式聚光器的设计方法，包括以下步骤：建立全局坐标系；将腔体接收器安装在理想抛物碟式聚光器的焦点位置；建立非成像碟式聚光器的反射镜曲面的空间方程；建立各环反射镜面的聚焦光斑的半径模型；建立以能流均匀性为目标，以各段抛物母线的旋转角度为优化变量的数学模型；优化建立的数学模型，最终确定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，获得均匀的能流分布。本发明的非成像碟式聚光器的反射镜由多环反射镜面组成，每环反射镜面的曲面方程均不相同，不仅能够显著地提升能流均匀性，还能降低局部聚光比的峰值，从而有效地避免高温热斑的形成，进而提升吸热器的工作寿命和可靠性。

技术领域

本发明涉及太阳能发电领域，特别涉及一种非成像碟式聚光器及其设计方法。

背景技术

太阳能是清洁环保、供应充足和分布广泛的可再生能源。聚光太阳能热发电是开发和利用太阳能资源的一种重要技术，被认为是解决能源短缺和环境污染问题的重要途径。碟式-斯特林太阳能热发电系统是通过抛物碟式聚光器将太阳光聚集到接收器内的金属盘管表面，并用于加热金属管内的气体工质(通常为氢气或氦气)，然后被加热的气体工质会驱动斯特林热机工作并带动发电机工作输出电能。由于碟式-斯特林太阳能热发电系统具有太阳能-电能转换效率高(最高纪录是31.25％)，布置灵活和模块化程度高等优点，被认为是一种具有广阔应用前景的高品位太阳能热利用装备。

众所周知，理想抛物碟式聚光器是一个单点聚焦成像光学装置，他能将与其焦轴平行的光线聚集到焦点处。因此，碟式聚光系统中腔体接收器表面的能流分布通常是极其不均匀的。然而，非均匀且高密度的太阳辐射能可能会对腔体接收器装置产生一些不利的影响，这包括降低接收器的工作效率，更为严重的可能还会产生高温热斑而影响接收器的安全性和工作寿命。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、能提升流均匀性的非成像碟式聚光器，并提供非成像碟式聚光器的设计方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种非成像碟式聚光器，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，每环反射镜面的曲面方程均不相同。

上述非成像碟式聚光器，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。

上述非成像碟式聚光器，每环反射镜面由多个沿圆周布置的镜面单元构成。

一种非成像碟式聚光器的设计方法，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；

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；

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；