太阳辐射高效聚集与镜场时空协同理论研究

研究完成了该年度的全部预期目标,完善了太阳能热发电镜场时空协同设计软件,可根据太阳直射辐射资源计算电站年发电量;可计算吸热器管壁的能流分布,解决了镜场聚光与吸热协同优化设计问题,建立镜场分区控制机制,达到聚光与吸热协同;完成了聚光器的外场安装与调试,提出了聚光器面形检测方法,并对检测方法的可行性进行了试验研究;完成了聚光器的光学性能测试方法研究,提出了聚光器光学性能测试设备研制方案;完成了聚光器外场跟踪精度测试方法研究,并进行了跟踪精度测试试验;完成了聚光器的综合性能初步评价。     

免跟踪复合阵列式聚光器设计

介绍一种具有菲涅尔透镜阵列罩的聚光器,避免聚光器因自动跟踪系统导致使用成本大幅度增加,有效提高太阳能密度。阐述了菲涅尔透镜阵列、组合曲面、偏光器的结构形式和工作原理,形成了免跟踪复合阵列式聚光器设计的新模型。     

吸热过程光-热耦合特性及复杂非稳态传热机理研究

太阳能热发电是太阳能的高品位利用方式,吸热器是太阳能热发电系统中用于聚光太阳辐射能与热能转换的核心部件。根据聚光器类型、传热介质、运行压力和温度的不同,吸热器主要有真空管式和腔体式两种类型。该课题针对极端条件(时空分布随机变化的高温、高热流密度),以提高吸热器吸热效率为目的,研究吸热器内辐射-导热-对流耦合的传热机理,构建设计各类吸热器需要遵循的理论架构,设计新型高效稳定的吸热器。该课题的研究对太阳能热发电的规模化进程具有非常重要的意义。实现了基于蒙特卡罗光线追踪法的自编数值模拟程序,获得了槽式、塔式和碟式吸热器吸热面上的聚焦太阳能流分布,实现了蒙特卡罗光线追踪法和用于求解流动传热问题的有限容积法的耦合,研究了太阳辐射由镜场到吸热器的一体化传播过程。研究了槽式太阳能吸热器内的流动换热特性,建立了槽式DSG集热器的稳态传热计算模型和动态模型,开发了两类管内强化传热技术;基于DSMC方法建立真空管空气夹层内稀薄气体传热模型;耦合管内对流传热、管壁导热、真空夹层稀薄气体传热及辐射传热、管外对流传热及辐射传热,可望建立真空管吸热器的跨尺度传热模型的数值预测方法。建立了腔式水工质吸热器和腔式熔融盐吸热器吸热性能的数学模型,获取了吸热器内部热流密度和吸热管道温度的分布规律以及吸热器的热损失。结合腔式吸热器热性能的数学模型,提出了由吸热器所需净能量推算吸热器开口所需太阳光能量的计算模型,发展了腔式吸热器启动过程性能模拟的数学模型,获得了吸热器启动过程开口所需能量数据曲线,吸热器启动过程的效率曲线和热损失曲线。研究了高温高压下空气吸热器内复杂耦合换热机理,分析了安装倾角、入口工质温度与质量流量等重要参数对有压腔式吸热器换热性能的影响;运用十四面体模型模拟多孔材料的内部结构,研究了多孔吸热结构内的对流传热特性。设计了搭建了太阳能空气吸热器实验平台,采用氙灯阵列模拟太阳辐射,多孔吸热材料表面可接受的辐射功率范围可达10 k W,热流密度可达2×106 W/m2;设计搭建了槽式DSG太阳能热发电实验研究系统,设计压力10 MPa、温度400°C,利用该实验系统除了对槽式DSG热发电系统进行试验研究外,还能对槽式热发电的集热器、聚光器的性能进行测试。     

一种顺向聚光实体聚光器的光学性能分析

为了改善用于建筑导光的镀膜反射类型的太阳能聚光器的性能,提出一种由透明实体整体成型的全内反射顺向聚光器,该聚光器具有结构紧凑、无需镀膜的特点。论文介绍了聚光器的结构和聚光传光原理。通过建立三维实体模型,应用光学分析软件模拟分析了聚光器的光学传输率,得出在不同入射光偏角时的传输率变化曲线。结果表明,该聚光器具有较大的跟踪容差性能,当平行入射光线偏角为1.4°时,传输率相对于正入射时下降不到20%;偏角为2.2°时,传输率仍然可以达到正入射时传输效率的60.8%;偏角为3°时,传输率还可达到正入射时传输率的50%,即3°为半传输率对应的偏角。因此,以这种结构为基础模块,结合导光光纤,采用空间多方位排列方式,可组成免跟踪系统的固定导光系统。     

入射偏角对非跟踪复合抛物面聚光器性能影响

为了降低复合抛物面聚光器对跟踪精度的要求,提高其在集热过程中的光热转化能力,探究入射偏角对新型复合抛物面聚光器非跟踪工况时光热性能的影响机制。理论分析该聚光器在集热过程中的能量转化关系,并利用光学仿真软件TracePro研究入射偏角对聚光器光学性能的影响规律;在此基础上搭建非跟踪复合抛物面聚光器性能测试试验台,在实际天气条件下测试分析聚光器光热性能随径向入射偏角的变化规律。结果表明：当光线正入射时,聚光器的光线接收率与聚光效率分别为100%和83.42%;当径向入射偏角α为16°时,该聚光器的光线接收率与聚光效率分别为53.00%和44.82%;当轴向入射偏角β为30°时,光线接收率与聚光效率分别为88.74%和74.42%;在空气流速为3.7 m/s时,聚光器的最高出口温度与瞬时集热量分别为31.3℃和782.8 W,分别比聚光器接收上偏10°和下偏10°入射辐射时提高了3.7、6.1℃和131.0、217.9 W;该聚光器接收正入射辐射时的平均光热转化效率为77.45%,比接收上偏10°和下偏10°入射辐射的平均光热转化效率高42.14%和52.97%。     

平屋顶槽式聚光器风压分布及形成机理

通过Ansys Workbench平台,建立了屋顶槽式聚光器数值模拟计算模型,对平屋顶上槽式聚光器的风压分布进行了大涡模拟。并将模拟得到的结果与风洞试验进行对比,验证了大涡模拟结果的准确性。研究了顺风向和斜风向角下槽式聚光器镜面的风压分布规律,以及屋顶槽式聚光器风荷载的形成机理,同时对不同仰角和不同女儿墙高度进行对比分析。结果表明,顺风向工况下聚光器镜面风压主要受屋顶柱状涡所控制,斜风向工况下镜面的风压主要由受聚光器周围的局部旋涡所造成；聚光器镜面的风压系数随仰角的增大而减小；屋顶女儿墙高度的增加会一定程度上减小槽式聚光器镜面的风压系数,顺风向下受女儿墙高度变化比斜风向情况下更明显。所得结论可以为平屋顶槽式聚光器的结构抗风研究提供理论依据。     

圆锥面太阳聚光器的理论研究与设计

对聚光器为圆锥面、接收器为圆柱面的太阳能集热器的性能进行了研究.导出了单锥面聚光器的聚光比和跟踪精度的计算公式,给出了接收器上的照射长度以及接收器表面聚光比分布的数学表达式,并对聚光比、跟踪精度、材料利用率等方面进行了详细的分析,结果表明从聚光比、材料利用率及跟踪精度等方面来考虑,45°是单锥面聚光器的最佳半顶角.分析了单锥面集热器存在的采光面积与聚光比和接收器长度之间的矛盾,进而提出了多锥面组合聚光器;多锥面组合聚光器能在接收器长度一定的情况下增加采光面积、提高聚光比,克服了单锥面聚光器的矛盾,并且具有设计上的灵活性.     

低倍V型光伏聚光器光学性能模拟分析

理论计算确定V型聚光器的几何聚光比、能量聚光比、能量聚光比和反射镜反射率之间的关系、反射镜宽度与光伏电池宽度之间的比例以及反射镜的倾角。根据理论计算确定2倍V型光伏聚光器的镜面倾角和宽度然后在TracePro6.0软件建立模型,模拟入射光线与竖直方向夹角λ为0°、30°、45°和60°时电池板表面的能量分布,结果显示λ为0°时电池表面能量分布最均匀,而聚光器的光学效率则随λ增大而减小。     

一种非跟踪内聚光太阳能PV-T管聚光器的设计与仿真

针对非跟踪内聚光光电-光热复合管的结构及接收器的设计需求,对管内具有特殊形状的半圆柱接收器的复合抛物面聚光器(CPC)进行了光学设计,并利用Matlab软件对聚光器曲线和形状进行了优化与数据仿真,得到了光热复合管能够得到最大入射光的聚光器的曲线方程、安装位置以及供数控机床加工所需的参数,给出了不同入射角的光线和光强分布图,提高了太阳能的利用率.仿真结果表明,接收器满足在最大入射光下表面光照均匀的设计要求.     

一种基于视觉测量的大型碟式聚光器 镜面单元位姿调节方法

根据大功率碟式聚光器镜面单元结构特点及在线安装过程中对镜面单元位姿快速检测、高效调节和精确定位的需要,提出了一种基于三目视觉测量和机器人辅助安装的镜面单元位姿调节方法.建立了任一镜面单元角点空间坐标方程,设计了镜面单元位姿调节系统结构,并明确了相应调节方法与步骤.以38 k W碟式聚光器为例,对镜面单元不同位姿进行了光学计算,分析了视觉测误差和镜面单元制造误差等因素对镜面单元位姿调节的影响.结果表明,基于视觉测量的调节方法,在不考虑其他误差情况时,当视觉测量误差和镜面单元制造误差的综合误差控制在±2 mm内,能满足镜面单元位姿调节精度要求.     

新型光伏楔形聚光器的聚光性能

利用几何光学和菲涅耳公式(Fresnel formula),在楔形聚光器的横截面上推导出楔形聚光器的几何聚光比、光线接收范围、透明材料的折射率、楔形顶角四者之间的关系。在此基础上,通过优化设计聚光器的反射面,提出了一种新型楔形聚光器。这种聚光器的反射面是由一部分平面、一部分抛物面组成,使折射到抛物面上的光线直接被反射到出射面上,从而提高楔形聚光器的聚光比。理论计算结果表明,当楔形顶角相同,透明介质相同且折射率为1.5时,在透射率大于90%的条件下,新型楔形聚光器的聚光比可比普通楔形聚光器提高约28%,但聚光均匀性有所下降。实验测试结果也验证了理论计算结果的准确性。总体而言,对于低倍光伏聚光系统,聚光均匀性要求不高,新型楔形聚光光伏组件具有较好的聚光性能及能量输出性能,具有应用价值。     

新型光伏楔形聚光器性能的研究

本文利用几何光学和菲涅耳公式(Fresnel formula）,在楔形聚光器的横截面上推导出楔形聚光器的几何聚光比、光线接收范围、透明材料的折射率、楔形顶角四者之间的关系。在此基础上,通过优化设计聚光器的反射面,提出了一种新型楔形聚光器,这种聚光器的反射面是由一部分平面一部分抛物面组成,使折射到抛物面上的光线直接被反射到出射面上,从而提高楔形聚光器的聚光比。 理论计算结果表明,当楔形顶角相同,透明介质相同且折射率为1。5时,在透射率大于90%的条件下,新型楔形聚光器的聚光比可比普通楔形聚光器提高约28%,但聚光均匀性有所下降。实验测试结果也验证了理论计算结果的准确性。总体而言,对于低倍光伏聚光系统,聚光均匀性要求不高,新型楔形聚光光伏组件具有较好的聚光性能及能量输出性能,具有应用价值。     

一种Zigbee网络群控聚光光伏系统设计

聚光光伏能有效降低光伏发电成本,如何实现聚光器跟踪系统的可靠性、精度及成本达到合理平衡是目前聚光光伏发电研究的重要内容之一。提出了一种基于Zigbee网络自动跟踪群控系统设计方案,该系统通过定日器检测太阳光强并确定太阳位置,再通过Zigbee网络将太阳位置发送给各聚光器的控制器调整聚光器的朝向,从而使太阳电池板获得更多的光照强度。     

结构参数对复合圆台形吸热器光学性能影响的研究

采用TracePro光学软件,研究了安装在复合圆台形吸热器腔体顶部的反射锥锥角对吸热器光学性能的影响。同时探讨了吸热器采光口与碟式聚光镜焦平面之间的距离及石英玻璃板厚度对吸热器光学性能的影响规律。模拟结果表明:在反射锥半径为50mm,锥角为160°时,复合圆台形吸热器的光学性能最优。在不同厚度石英玻璃板下,当吸热器采光口与碟式聚光镜焦平面之间的距离变化时,吸热器布管面光通量及系统光学效率呈正态分布;当其距离在-30~10mm范围时,石英玻璃板厚度对布管面光通量及系统光学效率影响较小。该研究结果可为碟式太阳能吸热器的设计和优化提供理论依据,并为吸热器传热性能的研究奠定基础。     

太阳能追日系统控制装置的研究

为了研究一种结构简单、成本低廉且跟踪精度高的太阳能跟踪方法,设计了一种用于太阳能集热装置的自动二维旋转台,该平台采用了一种新型的双轴跟踪实验系统,实现太阳光照射方向的实时跟踪。系统以8051单片机为核心,采用二维PSD传感器的方法,构建根据太阳光线与太阳能电池板夹角变化追踪太阳位置的光电传感跟踪模式,间接的随时随地的测量入射光线与固定平面法线的夹角,通过A/D转换器后接入转化至单片机,再通过单片机来控制两台步进电机驱动双轴跟踪装置以便调整固定支架的位置,直到固定平面与太阳光垂直,使旋转台上固定接受太阳光部件的表面始终与太阳光垂直,因而能大大提高其太阳能的利用效率。     

几何光学中的作图法

为了使问题简化，本文只限于研究单心光束。一、单镜成象的依据及讨论单镜不仅是一个简单的光学系统，而且是组成光学器件的基本元件。研究光经由镜面的反射和折射，是一般光学系统成象的基础。我们从光线的观点出发，依据光的直线传播、反射和折射定律。就可以确定一切投射到任何形状的表面之后光线的方向。由实验可知，凸透镜对于任何入射到它上面的光线都有会聚作用。成象有以下几种情况：如图1所示，发光点在无穷远处，人射到凸透镜上的平行光束。经凸透镜后变成了会聚光束，这个会聚光束相交的点被定义为焦点，即在焦点处成象。（图中…     

基于混合因素均匀设计的槽式聚光器结构优化

为控制槽式聚光器的成本,以镜面位移和杆件应力为约束条件,以主三角桁架和拉翅的截面尺寸为连续变化的定量参数,拉索初拉力为状态变化的定性参数,采用均匀设计法对聚光器进行了优化.根据优化得到的参数取值,采用BIM(Building Information Modeling)技术进行槽式聚光器三维模型的建立,并依据模型包含的钢材种类、数量、长度、质量等信息进行钢材成本的计算.结果表明:均匀设计法可以用于含有定性和定量因素的聚光器结构优化,在满足既定约束条件下聚光器的钢材成本可降低10.32%,用钢量可减少11.86%,优化效果较好.本文提出的方法对于同时包含定量参数和定性参数的复杂优化问题具有一定参考价值,借助于聚光器三维BIM信息模型对钢材成本的计算,进一步证明了该优化方法的可行性.     

离散光线跟踪在石油地质构造立体显示中的应用

离散光线跟踪是一种三维物体快速显示算法，它由三维物体体素化和光线跟踪绘制两部分组成．本文讨论了此种算法的原理及其在石油地质构造立体显示中的应用．实验结果表明，在相同的软硬件环境下，应用离散光线跟踪算法生成三维石油地质构造图象的速度比传统的光线跟踪算法快几十倍，而且这种方法可以灵活方便地改变光源特性，光照特性和视角参数，生成的图象有良好逼真的视觉效果．     

太阳能腔式吸热器自然对流热损的数值研究

腔式吸热器是碟式太阳能热发电系统的一个重要组成部分,它的性能优劣直接影响到整个发电系统的效率。重点分析了腔式吸热器的自然对流热损,建立了6种典型腔式吸热器的二维模型,选用FLUENT6.3计算了在开口直径为10cm,壁温为400℃,倾角α=0°条件下的6种腔式吸热器的内部自然对流热损失。计算和比较发现,球形吸热器的内部对流热损比其他5种吸热器平均低10%。通过计算球形吸热器在不同Aw/Al(内表面积/开口面积)和不同倾角下的对流热损大小,发现球形吸热器的对流热损随倾角的增大而显著减小,在α=0°(开口朝侧面)时最大,α=90°(开口垂直向下)时最小;计算得到球形吸热器的最佳Aw/Al值为8～10。     

基于CUDA的光线跟踪实现中纹理内存的应用研究

CUDA是由NVIDIA开发的用于通用并行计算的开发平台,可方便地实现并行算法的编程。本文利用光线跟踪算法具有的天然可并行性,采用KD树加速结构,在CUDA上实现光线跟踪的并行算法,经过纹理内存的优化使用后,可达到交互式光线跟踪。