高效能太陽(yáng)能聚光器的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、太陽(yáng)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(yáng)輻射能流密度非常低,僅為1kW/m2,因此需要把太陽(yáng)輻射聚集起來(lái)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(yáng)能系統(tǒng)一個(gè)重要的組成部分,特別是太陽(yáng)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(jì)、制造,裝配及運(yùn)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(chēng)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(gè)支撐帶,支撐帶的形狀經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì),以使支撐帶的兩個(gè)端點(diǎn)被相對(duì)拉近時(shí),能形成一個(gè)高精度的拋物面。同時(shí)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(yáng)能系統(tǒng)常用的一個(gè)重要部件。與拋物柱面相似,要求其形狀達(dá)到較高的精度,因此也導(dǎo)致了昂貴的設(shè)

3、計(jì)、制造和運(yùn)輸成本。考慮能量利用效率,本文提出了一種針對(duì)大尺寸旋轉(zhuǎn)拋物面聚光鏡的優(yōu)化和制造的方法,稱(chēng)之為―優(yōu)化花瓣法‖?；ò晔骄酃馄饔蓴?shù)個(gè)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(jì)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(guò)優(yōu)化的。金屬花瓣兩端通過(guò)繩索被拉近時(shí)能形成拋物面形狀。同時(shí)建

4、立了一個(gè)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(gè)聚光器光學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo):最大的聚焦誤差和聚光效率。最大聚焦誤差用來(lái)評(píng)價(jià)優(yōu)化槽式拋物面聚光器的最優(yōu)設(shè)計(jì),聚能效率用來(lái)評(píng)價(jià)花瓣式聚光器的光學(xué)性能。同時(shí),這兩個(gè)指標(biāo)也用來(lái)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(jí)數(shù)結(jié)合起來(lái),用優(yōu)化有限離散變量的方法來(lái)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(gè)能夠在焦平面上獲得均勻能流密度特性的類(lèi)拋物線(xiàn)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(jì)槽式和旋轉(zhuǎn)拋物面聚光器的二維拋物線(xiàn)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(guò)多點(diǎn)施力進(jìn)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(duì)應(yīng)的分布控制力,該方法具有工程可實(shí)施性。
　　文中所提出的設(shè)計(jì)聚光器的優(yōu)化方法,通過(guò)有限元分析、數(shù)值優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。這些方