高效能太陽能聚光器的優(yōu)化設(shè)計研究.pdf

1、太陽輻射是一種清潔的、可再生的、可持續(xù)的并且可以大范圍利用的能源。但與傳統(tǒng)形式的能源相比,輻射到地球表面的太陽輻射能流密度非常低,僅為1kW/m2,因此需要把太陽輻射聚集起來以獲得較高的能量轉(zhuǎn)化效率。拋物面聚光器的廣泛應(yīng)用證明它是一種提高聚能效率的有效方法。拋物面聚光器是許多太陽能系統(tǒng)一個重要的組成部分,特別是太陽光收集器。大尺寸和高精度的要求致使拋物面集光器設(shè)計、制造,裝配及運輸成本都非常昂貴。
　　本文提出了一種研制高精度拋物

2、柱面聚光器的新方法,稱為優(yōu)化拋物面法。優(yōu)化拋物面的聚光鏡由一張平薄且高柔性的金屬片組成,其工作表面貼有高反射性材料。在聚光鏡背面粘附一個支撐帶,支撐帶的形狀經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計,以使支撐帶的兩個端點被相對拉近時,能形成一個高精度的拋物面。同時根據(jù)歐拉-伯努利梁彎曲方程,建立了優(yōu)化支撐帶寬度和厚度的數(shù)學(xué)分析模型。
　　大尺寸的旋轉(zhuǎn)拋物面聚光器也是許多太陽能系統(tǒng)常用的一個重要部件。與拋物柱面相似,要求其形狀達到較高的精度,因此也導(dǎo)致了昂貴的設(shè)

3、計、制造和運輸成本?？紤]能量利用效率,本文提出了一種針對大尺寸旋轉(zhuǎn)拋物面聚光鏡的優(yōu)化和制造的方法,稱之為―優(yōu)化花瓣法‖。花瓣式聚光器由數(shù)個相同優(yōu)化形狀且具有高反射性能表面的花瓣式平薄金屬板組成。由于計算而得金屬花瓣厚度是連續(xù)變化的,加工難度大,本文提出采用層壓式結(jié)構(gòu)近似代替花瓣的連續(xù)變化厚度。多層花瓣的支撐層貼附在工作層的背面;工作層正面貼有高反射性材料。這些支撐層的形狀是經(jīng)過優(yōu)化的。金屬花瓣兩端通過繩索被拉近時能形成拋物面形狀。同時建

4、立了一個用于優(yōu)化金屬花瓣形狀和厚度的數(shù)學(xué)分析模型。
　　本論文提出了兩個聚光器光學(xué)性能評價指標(biāo):最大的聚焦誤差和聚光效率。最大聚焦誤差用來評價優(yōu)化槽式拋物面聚光器的最優(yōu)設(shè)計,聚能效率用來評價花瓣式聚光器的光學(xué)性能。同時,這兩個指標(biāo)也用來作為用有限元形狀優(yōu)化算法的優(yōu)化目標(biāo)。本文也提出了一種有限元形狀優(yōu)化方法,該把有限元方法和傅里葉級數(shù)結(jié)合起來,用優(yōu)化有限離散變量的方法來近似代替槽狀或花瓣式拋物面剛度連續(xù)函數(shù),EI(s)。
　　

5、本文建立了兩個能夠在焦平面上獲得均勻能流密度特性的類拋物線數(shù)學(xué)模型,旨在聚焦區(qū)域獲得均勻的能量分布,并得到了用于設(shè)計槽式和旋轉(zhuǎn)拋物面聚光器的二維拋物線和三維旋轉(zhuǎn)拋物面的數(shù)學(xué)模型解析解。
　　本文提出了一種由圓弧殼體通過多點施力進行拋物殼體成型的方法,建立了該方法的數(shù)學(xué)解析模型,得到了消除位移誤差所對應(yīng)的分布控制力,該方法具有工程可實施性。
　　文中所提出的設(shè)計聚光器的優(yōu)化方法,通過有限元分析、數(shù)值優(yōu)化和實驗進行了驗證。這些方