均匀能流密度槽式聚光器设计及光学特性北大核心CSCD

太阳能聚光系统中接收器表面能流密度分布不均匀,会对其光电转换效率以及自身结构的稳定性造成一系列不良影响。为提高接收器能流密度均匀性,文章将微元法与几何构造法相结合,提出Ⅰ型和Ⅱ型两种聚光器模型,利用Trace Pro软件对这两种聚光器的光学特性进行模拟分析,确定出最优模型,进而分析几何聚光比、跟踪误差、安装误差对该模型能流密度分布的影响。结果表明:Ⅱ型聚光器光学特性最优,当几何聚光比为20时,分别以平行光及太阳光入射,接收器上能流密度均匀分布的区域分别占接收器区域的80.18%和75.17%,其光学效率达到99%和95%。此外,随着跟踪误差和安装误差的增大,接收器能流密度均匀分布的区域都减小。本研究对聚光器的优化设计和提高聚光型太阳能系统能源利用效率具有参考意义。     

碟式聚光器的月光聚光比分布计算模型

碟式聚光器和塔式聚光器均是点聚光系统,为了用月光法间接测量塔式聚光系统的聚光比分布,适宜用聚光稳定的碟式聚光器研究不同月相的光源亮度分布对聚光比分布的影响。主要建立月光下碟式聚光器的聚光比分布计算模型,首先依据拍摄的月相灰度图像建立分块均匀的光源亮度分布模型,再基于三维激光扫描点云数据生成准确的反射镜面形;在光线追迹过程中均匀采样镜面上的反射点,且考虑聚光器的跟踪误差;镜面的光学误差与光源的亮度分布合并为等效的光源亮度分布。模拟聚光比分布与实验聚光比分布的余弦相似度α>95%,光学模型准确性高。     

新型多平面太阳能聚光器性能分析

提出一种新型多平面太阳能聚光器,该型聚光器由若干矩形小平面镜和抛物型结构的框架组合而成,适用于太阳能在中温领域的应用。利用几何学原理和Monte Carlo方法研究新型多平面太阳能聚光器的几何光学特征及焦平面能流密度分布,分析不同综合误差对几何聚光比及能流密度分布的影响。研究结果表明:相比传统碟式聚光器,新型多平面聚光器在焦平面的光斑面积增大且能流密度分布均匀;该型聚光器的几何聚光比随着镜面排数M的增加而增加,在镜面排数M分别为7、9、11时,相应几何聚光比可达69、125、210,满足中温领域的使用要求;在相同的外部条件下,其运行性能受综合误差的影响较传统碟式聚光器小。     

复合抛物面槽式光伏聚光器性能研究

文章提出了一种复合抛物面槽式光伏聚光器,介绍了该聚光器的工作原理,利用Solidworks软件对其进行三维建模,并通过光学仿真软件对不同入射偏角、光伏组件不同安装位置时接收体表面的光线接受率和聚光效率进行计算。该课题组搭建了复合抛物面槽式光伏聚光器试验台,对该光伏聚光器的输出电功率进行了测试和对比分析。结果表明:当复合抛物面槽式光伏聚光器径向入射偏角的变化范围为0~7°时,光线接受率为99.35%~60.49%;聚光效率随轴向入射偏角的增大呈线性降低的变化趋势;光线接受率和聚光效率随光伏组件与入射光之间夹角的增大而降低;在自然天气条件下,复合抛物面槽式光伏聚光器的输出电功率约为相同测试条件下平板光伏组件的2倍。     

槽式均匀聚光系统设计及分析

为提高槽式聚光系统的聚光均匀性,提出一种槽式均匀聚光系统,建立了该系统反射聚光器模型,并对其聚光效果进行了分析.对系统的几何参数分析表明,随着反射镜面数量的增加其宽度在逐渐减小而其倾角却在逐渐增加,系统最大几何聚光比随系统的几何高宽比δ增大而增加.利用蒙特卡罗光线追迹方法对该聚光器的聚光效果进行模拟,结果表明该系统的聚光均匀性明显优于传统的槽式聚光器聚光效果,能够满足设计需求.     

复合弹性太阳能聚光器的光学特性

近年来,由于非成象聚光器具有接受在入射角范围内辐射的能力,因此聚光器已被人们所注意。理想的柱面集中器,例如复合抛物面太阳能聚光器(CPC),对于一个给定的接受角θ_m,也就是C=1/sinθ,显示出了最高聚光比的可能性。近似CPC的聚光器已经提出,虽然这种聚光器与CPC比较起来光学性能有所减弱,但它可以容易地制造。     

应用于聚光发电的复合抛物面聚光系统性能仿真研究

构造了一种新型可应用于太阳能聚光发电的复合抛物面聚光器,根据实际尺寸在SolidWorks软件中建模,利用光学分析软件对其进行了光线追迹分析;研究了随入射偏角的变化,太阳电池接受体上接收入射光的变化情况;通过仿真计算模拟,直观地看到了光束在太阳能电池上所形成的焦斑形状、位置和能量分布随入射偏角的变化趋势。模拟计算结果表明,聚光器有效聚光比约为2.61,在测试范围内随着入射偏角增大太阳能电池表面聚焦光斑强度分布渐趋均匀,结论可为槽式太阳能聚光光伏发电的设计和优化提供参考。     

应用于设施农业土壤供热系统的复合多曲面聚光器的聚光集热性能研究

文章通过仿真模拟和试验测试,分析了光线入射偏角对复合多曲面聚光器聚光集热性能的影响。首先,建立了聚光器三维模型;然后,利用光学仿真软件对该聚光器进行光线追迹和光学性能计算,并根据计算结果分析了径向、轴向入射偏角对该聚光器光线接收率、聚光效率等的影响;最后,基于光学计算结果,搭建复合多曲面聚光器光热性能试验台,并根据测试结果研究了该聚光器在实际天气条件下运行时的聚光集热性能。分析结果表明:当径向入射偏角小于14°时,该参数对复合多曲面聚光器的光线接收率和聚光效率影响较小;当径向入射偏角为20°时,该聚光器的光线接收率和聚光效率分别为46.50%,39.49%;此外,该聚光器的光线接收率和聚光效率均随着轴向入射偏角的变化呈现出对称的变化趋势,当轴向入射偏角为20°时,该聚光器的光线接收率和聚光效率分别为87.94%,74.50%;在晴天条件下时,该聚光器出口处空气温度的变化趋势与太阳辐照度一致,正午时,该聚光器出口处空气温度最高,可达到46.9℃;测试期间,该聚光器的最大瞬时集热量和光热转化效率分别为411.54 W,42.38%。     

跟踪式CPC热管真空管集热器聚光及集热特性

将曲柄连杆单轴跟踪技术与CPC(复合抛物面聚光器)热管真空管太阳集热器集成,研制一套聚光比为2.3的跟踪式CPC集热器。基于Trace Pro光学软件模拟其跟踪模式下的聚光行为,并对不同跟踪模式下的集热特性进行实验研究。模拟得到横向投影角θt是影响CPC集热器光学性能的主要因素,θt为-23.5°~23.5°时,入射角修正因子(IAM)达到0.95~1.14;跟踪可有效缩小θt,将光学效率提高30%以上;采用三点式间歇跟踪即可获得高于60%的光学效率。实测集热效率分布和光学效率模拟值趋势一致,系统跟踪时高效集热时间为固定式的2.7倍,平均集热效率达到固定式的2.1倍。集热效率归一化线性良好,效率截距为52%,和光学效率模拟值偏差小于12%,佐证了模拟分析结果。     

具有均匀照度的高倍太阳能聚光器

利用非成像光学方法,设计了适用于聚光光伏系统的高倍聚光器。为了提高电池表面的照度均匀性,在设计中引入匀光器,并综合优化容忍角和光通过率等关键参数。设计完成的带有匀光器的TIR-R(Total Internal Reflection-Refraction)太阳能聚光器,可使电池表面光照最大强度不大于平均值的2倍,容忍角达到1.53°,聚光倍数为1256倍。仿真表明,太阳光发散角可改善光照均匀性,而聚光器材料色散则主要造成容忍角减小。     

考虑太阳张角的聚光器设计北大核心CSCD

通过聚光等形式提高光能密度,减少光伏材料的使用量,有助于保护环境和节约能源。文章提出一种新型聚光器设计方案,其在分析太阳张角对光路影响基础上,对聚光器模型进行改进,并得到接收器上反射光线分布规律。根据节省材料比和聚光硅电池效率选取聚光器参数,建立聚光器三维模型,在TracePro软件中进行仿真,得到接收器表面的辐照度分布和总光通量,与传统光伏聚光器聚光效果对比,验证聚光器模型的有效性,为聚光光伏发电系统的实物设计奠定了理论基础。     

可用于建筑采暖的槽式复合抛物面聚光器光热特性研究

文章针对太阳能建筑采暖系统集热面积大、换热介质抗冻能力差的问题,设计了一种新型的槽式复合抛物面聚光建筑采暖系统,并分析了该系统中槽式复合抛物面聚光器的聚光原理。文章还建立了槽式复合抛物面聚光器的三维模型,而后利用光学仿真软件分析该聚光器的聚光性能,并搭建试验台研究空气流速对该聚光器光热转化效率的影响。分析结果表明:在光线入射偏角为10°的条件下,当接收体中心与聚光器底部的间距为90 mm时,槽式复合抛物面聚光器的光线接收率和聚光效率最优,分别为65.54%和60.25%;在实际天气条件下,槽式复合抛物面聚光器光热转化效率随空气流速增加而升高,当空气流速为4 m/s时,该聚光器的光热转化效率达到最大值,为76.73%。     

一种复合抛物面槽式太阳能聚光集热器的性能研究

对一种新型复合抛物面槽式太阳能集热器进行了光学仿真和热性能研究。介绍了聚光器的设计与工作原理,在计算机上对其进行了三维建模,利用蒙特卡洛光线追迹模拟不同入射角、不同安装误差偏角的情况下,圆柱形聚光接收体表面上能流分布特征及光学效率的变化规律。光学仿真结果表明,当镜面反射率为0.92,在太阳光线入射角为0~7.5°时,光线接收率为99.36%~51.51%,聚光效率为92.14%~48.1%。室外测试结果显示,装置热效率为43.2%。     

矩阵型聚光光伏光热一体化系统设计与分析

提出一种新型矩阵型聚光光伏光热一体化系统,基于热管技术,设计并制作热管式光伏光热一体化(PV/T)集热器,具有传热效率高等优点。其次,基于平面镜反射原理,设计矩阵型聚光器,架构简单。为了验证矩阵型聚光器的可行性,在Solid Works三维设计软件中绘制出矩阵型聚光器的三维实体模型,将该实体模型导入Trace Pro中进行光学分析,光学效率达到68.7%,仿真结果表明,本文设计的矩阵型聚光器是合理的、可行的。最后,本文提出聚光光伏光热一体化(c-PV/T)系统的光电光热总效率和光电光热综合效率,综合评价c-PV/T系统的系统性能。     

两级聚光光伏系统中砷化镓电池特性的实验研究

针对一般聚光系统中光斑不均匀而导致电池性能下降的问题,设计并搭建了具有二级聚光器的碟式聚光光伏发电系统,介绍了系统的结构及工作原理,进行了户外实验。在相同聚光比条件下(150X),与单级聚光系统相比,三结砷化镓光伏电池的平均峰值功率为1.515 W/cm2,平均效率为29.29%,平均峰值功率和平均效率分别提高了23.32%和9.12%。     

可实现均匀能流分布的太阳能碟式/三角形腔体接收系统的光学特性研究

提出一种三角形腔体接收器应用到抛物碟式聚光系统,实现腔体接收器底部吸热器表面的能流均匀化。基于OptisWorks光学软件研究三角形腔体接收器的截面尺寸、腔体高度、腔体侧壁面的反射特征(镜面反射或漫反射)和反射率等对其光学性能的影响。光学性能指标包括腔体接收器的光学效率、吸热器表面的能流非均匀因子及其接收的总太阳辐射能。分析聚光器的扇形缺角、正方形聚光器和跟踪误差,以及三角形截面和腔体底部的裁剪对接收器光学性能的影响。结果表明,腔体接收器的壁面反射特征和反射率对其光学性能影响显著,提高腔体侧壁面的反射率和选择镜面反射材料能使吸热器获得更多的太阳辐射能。在腔体截面尺寸和壁面反射特征一定时,总存在一个较佳的腔体高度使吸热器表面的能流非均匀因子减小到0.1以下。此外,将三角形腔体裁剪成六边形或正六边形截面时也能获得均匀的能流分布。该文研究为吸热器表面能流均匀化提供了一种新的解决方案,可应用于碟式聚光集热和碟式聚光光伏领域。     

槽式复合多曲面聚光集热器光学分析及性能研究北大核心CSCD

鉴于传统槽式复合多曲面聚光集热器所固有的吸热体表面换热方式、吸热体与循环介质换热面积恒定等对集热效率提升造成限制,文章提出了可优化吸热体的槽式复合多曲面聚光集热器。通过在聚光集热器焦斑位置单层玻璃管内安装吸热体以实现光热体内换热、循环流速与吸热体换热面积的优化。首先,利用光学仿真软件TracePro计算分析了星形六翼吸热体、V形吸热体对聚光器光学性能的影响机理,基于此,在实际天气条件下,开展了聚光器内嵌星形六翼吸热体时集热性能的测试研究,分析了聚光器进、出口温差、瞬时集热量随气象条件的变化规律。结果表明,当入射偏角小于15°时,聚光器的聚光效率和光线接收率受入射偏角影响较小,光线正入射时,内嵌星形六翼吸热体的聚光器聚光效率与光线接收率最高,分别为73.08%和95.20%,当径向入射偏角为0~20°时,聚光器内嵌星形六翼吸热体时的聚光效率与光线接收率分别比内嵌V形吸热体时高6.50%和8.46%。在晴好天气下,聚光器进、出口温差、瞬时集热量与太阳辐照度变化趋势一致,且均在正午时达到最大值,分别为38.4℃和667.34 W,此时聚光器的光热转化效率为65.03%。     

建筑一体化500倍聚光组件光电特性实验与模拟研究

利用砷化镓聚光太阳电池设计制作建筑一体化高倍(500倍)聚光光伏组件,采用TracePro软件对组件光学性能进行了模拟分析,同时对组件光、电特性进行了实验检测。模拟结果表明经一次聚光后光斑尺寸为15 mm×15 mm,二次聚光器的能量损失为4.1%,跟踪误差在±0.5°以内时对组件聚光效率影响较小,组件聚光效率达到78.1%;实测结果表明跟踪误差为±0.5°的情况下,一次聚光后光斑实际尺寸为25 mm×25 mm,导致部分能量未汇聚到二次聚光器上,因此实测聚光效率为69.0%;聚光电池的实测发电效率保持在37.9%,组件的系统运行效率保持在26.1%。     

一种新型CPC聚光热电联产系统

开发了一种新型热管冷却式CPC聚光热电联产系统(PV/T),建立了系统的数学模型。系统采用了蒸发段截面为半圆形的异形热管冷却,整个系统只有普通平板热水器的大小。CPC聚光器截取后的高度为100mm,入口宽度为62 mm,几何聚光比为4.13。采用了光学模拟软件对聚光器进行了光线追踪模拟与辐照度分析,随着入射角度的减小,光斑向聚光器对称中心偏移,最大能流密度逐渐减小,接收面光线分布趋于均匀,但依然存在光线集中现象。     

空间薄膜抛物面聚光系统辐射能流密度的研究

结合薄膜聚光器的光学特性,同时考虑空间太阳形状模型、薄膜表面反射误差的概率模型,采用蒙特卡罗光线追迹法计算空间薄膜抛物面聚光系统接收面上辐射能流密度,分析薄膜聚光器的表面反射误差、焦径比、接收器的遮挡作用和接收器的位置对系统接收面上辐射能流密度分布的影响,为空间薄膜聚光系统的参数设计和性能分析提供参考。