基于燈光追跡法的太陽能聚光反射器特性研究

基于燈光追跡法的太陽能聚光反射器特性研究

1圓形開口面聚光器目前，利用太陽能聚光技術(shù)越來越受國內(nèi)外研究人員的影響，尤其是高聚焦商業(yè)cd聚光技術(shù)的優(yōu)勢。采用高倍聚焦能有效地提高太陽能利用率,獲得高密度光能,從而實現(xiàn)高溫熱發(fā)電或高倍聚光光伏發(fā)電。近年太陽能光伏發(fā)電發(fā)展迅猛,性能較好的Ⅲ-Ⅴ族光伏電池倍受青睞,GaAs電池更是成為聚光發(fā)電的首選,但高倍聚光光強的均勻性對其發(fā)電性能的影響不可忽視。Jaramillo等通過試驗和理論分析了焦平面上所獲得的熱能及溫度分布;Peter等在考慮了反射面和接收面的幾何因素以及反射面的不精確度等因素后,對圓柱形中心軸接收器上的能量分布做了比較和分析,并給出了此類聚光系統(tǒng)的設計建議;陳奇峰等設計了兩級拋物面聚光器,并分別對次級反射面為橢圓面和雙曲面的兩種聚光器的光學特性進行了分析,得出了橢圓反射面的聚光器性能較好的結(jié)論;帥永等應用蒙特-卡羅(Monte-Carlo)方法分析了碟式聚光系統(tǒng)的輻射特性,研究了太陽形狀和反射面表面誤差的引入對聚光輻射性能的影響;杜勝華等也應用MonteCarlo方法分析了太陽光不平行度、跟蹤精度和反射鏡口徑比對焦平面能流分布的影響;劉穎等還提出用有限元法計算焦面能流分布的新方法。以上研究都是針對開口采光面為圓形的碟式聚光器,實際應用中也有采用此種形狀開口面的聚光器,如A.Kribus等設計制作的小型熱/電聯(lián)供系統(tǒng),但是其規(guī)模較小,聚光比也只有500倍。而澳大利亞國立大學研制的400m2和500m2的兩套聚光系統(tǒng),整體開口面形狀則分別采用六邊形和八邊形。在大型聚光系統(tǒng)中采用非圓形開口面聚光器主要是考慮到安裝和生產(chǎn)因素,但對于此類聚光器的聚光特性研究卻少有報道。本文采用基于Monte-Carlo原理的TracePro軟件,考慮太陽張角、焦距等因素,對開口面分別為圓形、矩形、六邊形和八邊形的碟式聚光器建立幾何模型,模擬分析了不同幾何參數(shù)碟式聚光器的聚光特性,并根據(jù)分析結(jié)果設計了一種本課題組用于GaAs聚光發(fā)電的多碟共焦聚光器,為碟式聚光利用的進一步研究提供了參考。2拋物反射鏡的幾何聚光比及平面閱讀器所成角TracePro是利用光線追跡的方法來對所建立的實體模型進行光學研究的,因此被研究實體模型的建立尤為重要。被研究實體模型包括太陽模型、聚光拋物反射鏡模型和焦點處的接收器模型。實際的太陽光不是一個點光源,是以32′張角的光錐形式入射到反射鏡上某點,并以同樣張角反射到焦平面上,如圖1(a)所示。圖1(b)中,入射光線與采光面法向所成角α,β和γ可按以下公式計算:式中,L為太陽與鏡面開口采光面之間的距離,D為太陽直徑,a為反射鏡面采光面開口寬度。為使所建模型與實際相符,要保證拋物反射鏡面上的每一個點都能接收到最大32′張角的入射光錐,即保證從太陽邊緣發(fā)出的光線到達反射鏡面上任意點的角度都相等且與采光面法向所成的角度約為16′,按進行近似計算并令其相對誤差為0.001。將(2)式和(3)式代入(4)式即可得出L值,又據(jù)(1)式便可知D值。拋物反射鏡的幾何聚光比及平面接收器在焦點處接收到的太陽像的半徑為式中C為聚光比,w/2為平板接收器的半徑,φr為邊緣角。如圖1(a)所示,若給定開口寬度a和焦距f,則邊緣角為2.1幾何模型參數(shù)的計算為研究不同開口形狀的碟式采光面對聚焦后能量分布的影響,分別對開口面為圓形、矩形、正六邊形和正八邊形的拋物碟式聚光器建立幾何模型,如圖1(c)所示。4種幾何模型的開口采光面積及焦距均相同,焦距設為3m,開口采光面積與聚光比為1000倍的圓形開口面的拋物碟面相同。由(5)式迭代計算可知在邊緣角為8.5291°和88.4866°時均能使聚光比達到1000倍,開口面積分別為0.6289m2和107.2771m2。所對應的幾何模型參數(shù)本應有兩個不同的值,但是在開口面積為107.2771m2時六邊形和八邊形開口的一個邊緣角已超過90°。因此表1中只列出邊緣角小于90°的一組數(shù)據(jù),光學幾何模型也根據(jù)表1中的參數(shù)來建立。2.2開口面為圓形開口面,采用圓形開口面的參數(shù)4種幾何模型的開口面積和邊緣角均分別相等,仍以聚光比為1000倍的圓形開口面的參數(shù)為標準,即采光面開口面積為0.6289m2,邊緣角8.5291°,其余參數(shù)據(jù)(4)~(7)式計算,結(jié)果如表2所示。因開口面積不變,所以日地距離和太陽半徑與表1中相同。3不同形狀紫外光光柵面的聚光面積效率因子的變化據(jù)表1和表2的參數(shù)用TracePro建立幾何模型并進行光線追跡。設太陽輻射為黑體輻射,其溫度為5762K,表面設為均勻發(fā)光型場,重點取樣區(qū)域為與開口面外接圓半徑相同的圓形區(qū)域。分別對相同開口面積、相同焦距和相同開口面積、相同邊緣角的4種不同開口形狀的碟式拋物面進行光線追跡,并獲取反射面和接收面上的輻照能流密度,采樣光線數(shù)變化范圍為1~1×106條。圖2中(a)~(d)即為光線追跡后4種形狀開口面的反射面及其接收面上的能流分布示意圖。圖2中反射面上的入射輻照值均在其幾何中心處出現(xiàn)明顯的衰減。這主要是由于接收器遮擋了入射光線所致,且無論何種開口形狀的反射鏡面,聚光后在接收面上的焦斑形狀均為圓形,即與太陽發(fā)光表面形狀相同。可用面積效率因子的概念對開口面形狀不同但面積相同的點聚焦式聚光器進行量化評價。以相同面積的圓形采光面的聚光比為標準,面積效率因子為式中κ為聚光面積效率因子,Cc和Cv分別為圓形開口面與其他形狀開口面的聚光比。計算所得κ值可用于求出與某一聚光比的同面積圓形采光面所對應的3種不同形狀采光面的聚光比。對模型進行光線追跡后,分別隨機選取4組結(jié)果列于表3中。由表3可見,若開口采光面面積相同,等焦距情況下的3種形狀采光面所具有的聚光比均分別高于等邊緣角的情況。其中相同面積、相同焦距條件下的八邊形采光面具有最高的面積效率因子,為99.7%;矩形和六邊形采光面稍低且相差不大,分別為99.2%和98.4%。但同面積同邊緣角條件下的矩形采光面的面積效率因子最小,為64.3%,而六邊形和八邊形雖較矩形采光面時有較大提高,分別為82.0%和90.0%,但仍比同形狀采光面在相同焦距時要低。這是由于相同開口采光面積從太陽獲得的太陽輻照相同,聚焦后均勻分布到由(6)式得到的接收面上,如表1,2所示,接收面積越大其光強平均值越小;相應的接收面積越小,其獲得的光強平均值越大。等邊緣角時,由(5)式知3種形狀采光面的整個外接圓所產(chǎn)生聚光比相同。而由于采光面積的縮減導致聚光比的降低,矩形縮減得最多,八邊形縮減得最少,這正好與表3中聚光比的變化趨勢相同。等焦距時,圖1(c)所示的4種形狀采光面外接圓的聚光比雖分別為1000,1551,1204和1108,但其外接圓裁剪為不同形狀后,采光面積損失引起了聚光比的降低。若將等焦距和等邊緣角兩種情況的接收器面積都改為與圓形采光面的相同,則由于接收器面積的減小,其對入射光線的遮擋作用將減弱,更多的光線能入射到鏡面上,但是接收面積的減小也會導致接收反射光線的損失。修改前、后聚光效率因子的變化如圖3所示。對于相同焦距的情況,接收面積減小不明顯,追跡光線數(shù)較少時,并未因接收面積的減小而對光線數(shù)產(chǎn)生很大影響,接收面與反射面上的光線數(shù)仍相等。當追跡光線逐漸增多時,會有部分光線從接收面邊上溢出。但是由于接收面積的減小及光線分布在邊緣處較弱,仍然使得平均能流聚光比有所提高。對于等邊緣角的情況,接收面積的減小使得鏡面入射光線增多,也致使大量反射光線從接收面邊緣溢出。但是接收面的平均輻照量有所提高,使得能流聚光比均提高20倍以上。當與圓形采光面所用接收面相同時,聚光比由大到小依次為同焦距的矩形、八邊形、六邊形、同邊緣角的八邊形、六邊形和矩形。綜上可知,在采光面形狀不易做成圓形時,采用等采光面積等焦距的八邊形或矩形聚光器仍具有較理想的聚光特性,聚光面積效率因子較高。4多碟共焦組合系統(tǒng)的追跡模擬實際太陽能聚光應用中,常需要高倍聚光比的反射器,但反射面在制作過程中由于受玻璃成型、模具加工等工藝的限制,高精度的大曲率拋物反射面生產(chǎn)仍有較大難度,制作加工成本也較高。而低倍聚光的小曲率拋物鏡面較易制作,也較容易達到要求精度。通過分析可知,矩形開口面的拋物聚光器具有較高面積效率因子,相互之間也較易連接、安裝,易于模塊化生產(chǎn)應用;且采用同樣的反射鏡面,生產(chǎn)時僅需一個模具,利于降低生產(chǎn)成本。因此本文采用9個相同的矩形開口面聚光器組合來近似達到1000倍以上的聚光比,子反射鏡面的開口面積和焦距與150倍聚光的圓形采光面聚光器相同,各子反射鏡的焦點都在焦距為3m處的同一位置。組合后的多碟共焦聚光器模型如圖4所示,圖5為9碟共焦聚光器實物圖。接收器焦平面處的能量是各子反射鏡聚光后能量的疊加,除中心反射鏡外,其余各子反射鏡開口平面并不與接收平面相平行,因而可能會導致聚光后的最大能流密度點不在原焦點處,焦斑面積也會發(fā)生變化。對組合系統(tǒng)建立幾何模型,并用光線追跡法進行模擬,多反射鏡組合共焦聚光器接收面上能流密度隨焦距變化的情況如圖6所示。本文設計的多碟共焦系統(tǒng),焦距無明顯改變,仍在3m處出現(xiàn)最大峰值能流密度,并以3m處為對稱中心,焦距增大或減小均引起能流密度的降低。圖7所示為接收器半徑變化所引起的焦平面上能流密度及其所截獲總能量的變化。由于各子反射鏡聚光的疊加,會引起能流密度分布的不均勻,焦斑中心處能流密度最大,而周圍較弱,如圖8所示。接收面積縮小,得到的平均能流密度增大,光強分布越均勻,但是所截獲的總光能便會減小,要使聚光器有較好的聚光均勻性就要保證有較大的平均能流密度,但同時又要盡量減少光能損失。圖7中兩條曲線交點所對應的接收器半徑為最佳接收半徑,既能使接收器截獲反射聚光后98%的光能,又可獲得0.88MW/m2的平均能流密度,此處半徑為0.0141m。該多碟共焦反射器9塊反射面上接收到的平均輻照強度均為661.89W/m2,而半徑為0.0141m的接收器上接收到的輻照強度為884285W/m2,由此可知多碟組合后的聚光比約為1336倍。實際應用中由于鏡面誤差、方向誤差等因素的存在,聚光比將會降低。為對比多碟共焦聚光器性能,采用與上述9碟共焦聚光器總面積相同的單碟矩形開口聚光反射鏡,且焦距仍為3m,但接收器半徑為0.0145m時才能截獲所有反射光線。經(jīng)光線追跡模擬,反射鏡面和接收器上的平均輻照強度分別為662.57W/m2和859820W/m2,聚光比約為1298倍,比同面積9碟共焦聚光器的聚光倍率要低約2.84%。若仍采用0.0141m的接收器半徑,由于接收面積的減少,接收器上的平均輻照強度增加為902190W/m2,聚光比約為1362倍,聚光比比同面積的9碟共焦聚光器只高了約1.95%,而光通量損失和均勻性變化幾乎可忽略。若采用與上述9碟共焦聚光器聚光比相同且接收面半徑仍為0.0141m的單碟矩形開口聚光反射鏡,光線追跡后,反射光在接收器上分布均勻,但焦距和開口面積比9碟組合聚光器分別減少了2.67%和2.38%?？梢?單碟式聚光器與多碟共焦組合聚光器相比,雖采用了獨立鏡面,但采光面積并無顯著減少,同聚光比下也只減少了2.38%,而正是多碟組合聚光器各子碟間的縫隙,使其能在抗風性上彌補了面積上的劣勢。等開口面積時,單碟聚光器的聚光倍率提高也不明顯,而對于多碟組合聚光器提高聚光比只需增加子碟個數(shù)即可大幅提高聚光倍率。同時隨著追跡光線數(shù)量的增多,多碟組合聚光器接收面上的光強分布均勻性有所改善,最大偏差逐漸減小,而實際生產(chǎn)應用中,各子碟反射光線的不均勻性在接收面處相疊加,正好能使其能流分布峰、谷相消,產(chǎn)生比單碟更好的聚光效果。5設備的尺寸與面積效率因子通過建立有張角的太陽模型及等焦距、等邊緣角的等面積開口采光面碟式聚光模型,并采用直觀的光線追跡方法對影響碟式太陽能聚光特性的幾何因素進行分析和比較,結(jié)果表明:1)若開口采光面積相同,當圓形、矩形、六邊形和八邊形4種形狀開口面的碟式聚光器具有與1000倍聚光比的圓形開口面聚光器相等的焦距時,4種聚光器的能流聚光比差距很小,面積效率因子大小依次為圓形、八邊形、矩形和六邊形。2)若開口采光面積相同,4種不同形狀