扇形无漏光太阳能聚光器的设计方法

尹鹏; 徐熙平; 姜肇国; 赵聪

doi:doi:10.3788/AOS201838.0208002

光学学报, 2018, 38 (2): 0208002, 网络出版: 2018-08-30

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Design Method of Fan-Shaped Ray-Leakage-Free Solar Concentrator

论文大纲

尹鹏徐熙平 ^*姜肇国赵聪

作者单位

长春理工大学光电工程学院, 吉林长春 130022

几何光学非成像光学聚光光伏系统光波导板 geometric optics non-imaging optics concentration photovoltaics system light guide plate

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摘要

建立了扇形无漏光聚光系统,对其几何聚光比与抛物线系数、聚光模组后抛物面宽度及聚光模组数量之间的相互关系进行了研究。针对光线耦合结构阵列后导致的漏光问题,提出了锯齿型无漏光波导板的设计方法,在提高聚光比的同时获得较高的聚光效率。通过分析太阳运行规律,提出可传动棱镜片组的设计以取代传统双轴跟踪方式,在一定意义上实现单轴追踪,降低系统运行功耗。在考虑菲涅耳损失以及材料吸收情况下,利用LightTools软件对所设计的聚光系统进行光线追迹,结果表明:在抛物线系数a=0.019时,几何聚光比达到1900,聚光效率为65.1%;在抛物线系数a=0.032时,几何聚光比达到1110,聚光效率达到约82.3%。

Abstract

A novel fan-shaped ray-leakage-free solar concentrator is proposed. The relation of geometrical concentration ratio with parabola coefficient, posterior paraboloid width of concentration module and concentration module quantity is also explored. The proposed design method of the sawtooth ray-leakage-free lightguide can deal with the leaking situation after the coupling inlets array, which increases the optical efficiency and the concentration ratio. By the analysis of the sun tracking law, a single-axis tracker with the scrollable prism sheets is proposed instead of double-axes tracker, which can decrease the system power dissipation. The ray-tracing simulations are carried out by LightTools software considering the Fresnel loss and optical material absorption. The results show that the concentration ratio and optical efficiency are 1900 and 65.1% when the parabola coefficient is 0.019; the concentration ratio and optical efficiency are 1110 and 82.3% when the parabola coefficient is 0.032.

1 引言

太阳能是一种分布广泛、取用方便、储量丰富的可再生能源,对其有效利用能够极大地缓解能源危机。但是,太阳能能流密度小,需要利用聚光型光伏技术将大面积太阳光会聚至小面积的太阳能电池上。在反射式太阳能聚光器的设计中,槽式太阳能聚光技术是最早实现热发电商业化运营的技术,其发电成本低,更容易与化石燃料形成混合发电系统^[1-3]。蝶式太阳能聚光技术比槽式聚光器的聚光效率高,但其制造成本也相对昂贵^[4-6]。此外,颜键等^[7]提出以镜面单元旋转和平移运动的组合等效引入位姿误差,建立了镜面单元空间位姿与聚焦光斑特征的定量对应关系。透射式太阳能聚光器主要以设计菲涅耳透镜元件为主。宁铎等^[8]针对太阳能聚光器中自动跟踪系统高故障率造成的使用成本增加等问题,提出了免跟踪线性菲涅耳透射式太阳能聚光器的设计方法。于春岩等^[9]设计了一种透射式双面菲涅耳聚光镜,该方法减少了光能损失,同时提高了聚光效率。此外,将菲涅耳透镜用于二次光学元件的设计也可以提高聚光效率^[10-11]。为使聚光光斑照度分布均匀化,荆雷等^[12]根据科勒照明原理和等光程原理求解得到聚光镜各个面型的轮廓曲线,设计了结构紧凑、聚光光斑照度相对均匀的高倍聚光透镜;李望等^[13]根据非成像光学理论提出了线聚焦菲涅耳聚光器的设计方法,提高了聚光光斑的辐照度均匀性。王进军等^[14]提出了一种分区多焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅耳透镜的设计方法,解决了传统点聚焦菲涅耳透镜聚光分布均匀性差的问题。但是,上述方法只能提供固定数值的聚光比,不利于系统满足不同程度的聚光需求。为了使聚光系统能够提供动态的聚光比,Duncan等^[15]提出了平板型太阳能聚光器的设计方法,该聚光器通过调节二次聚光元件的数量能够实现动态聚光比;Unger等^[16]提出一个具有新型光波导板结构的平板型太阳能聚光器,但是光线在该聚光系统中的传播距离较短,几何聚光比较小,且光线经空气棱镜侧表面多次反射后能量大幅度衰减,聚光效率较低。

为了同时获得较高的动态聚光比和聚光效率,降低系统的径长比,本文提出了扇形无漏光太阳能聚光器的设计方法。该方法所设计的聚光系统与无漏光波导板配合使用能够同时获得较高的几何聚光比和聚光效率;调节聚光模组的数量能够实现动态聚光比,满足不同程度的聚光需求;相比于传统的抛物面聚光器,系统的径长比较小,结构紧凑,降低了系统的制造成本。此外,通过分析太阳运行规律,提出可传动棱镜片组的设计以取代传统双轴跟踪方式,在一定意义上实现单轴追踪,降低系统运行功耗。由于聚光模组本身具备一定的光线接收角度,本系统对于太阳的追踪精度要求较低。

2 聚光器设计原理

扇形无漏光太阳能聚光器主要由聚光模组阵列和无漏光锯齿型波导板两部分组成。如图1(a)所示,太阳光线垂直入射聚光模组上表面,经聚光模组的后表面反射会聚,进入无漏光锯齿型波导板中传播,最终被太阳能电池接收。由于聚光模组会聚光线的范围有限,通常将聚光模组阵列组成聚光模组单元,并与波导板配合使用,如图1(b)所示。将聚光模组单元旋转拼接后,组成类似于扇形的聚光结构,如图1(c)所示。聚光模组后表面基于抛物线方程的几何性质设计,无漏光波导板的设计参数由聚光模组决定。

图 1. (a)单聚光模组的光线追迹; (b)聚光模组单元的光线追迹; (c)扇形无漏光太阳能聚光器结构示意图

Fig. 1. (a) Ray tracing of a concentration module; (b) ray tracing concentration modules unit; (c) schematic of fan-shaped ray-leakage-free solar concentrator structure

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2.1 聚光模组的设计

设抛物面在y-z面上的抛物线表达式为

\begin{matrix} y = a z^{2}, (1) \end{matrix}

式中a为抛物线系数。根据抛物线的性质,抛物线上方垂直入射的光线经抛物线反射后会聚至抛物线焦点处,焦点坐标为P_F(y=1/4a,z=0)。将z轴正方向焦平面上方高度为h的抛物面部分作为聚光模组反射表面,如图2(a)所示。为了使光线满足全反射条件,h的取值范围为

\begin{matrix} \frac{3}{4 a} < h < \frac{2 {(tanθ)}_{\max} - 1}{4 a}, (2) \end{matrix}

式中θ为抛物面切平面与x-z平面的夹角;(tanθ)_max= $\begin{matrix} \sqrt[]{(n_{1} + \sqrt[]{n_{1}^{2} - 1}) / (n_{1} - \sqrt[]{n_{1}^{2} - 1})} \end{matrix}$ ,n₁为光波导板的折射率。将该反射面向z轴负方向移动1/2a的距离,可以得到双抛物面结构,如图2(b)所示。将双抛物面结构宽度设置为D,并将以外侧抛物面的焦点为球心、R为半径的球体部分去除,最终得到聚光模组结构,如图2(c)所示,其中R的最大取值R_max可以表示为

\begin{matrix} R_{\max} = \sqrt[]{h^{2} - \frac{h + \sqrt[]{4 h / a + a^{- 2}}}{2 a} + \frac{17}{16 a^{2}}} 。 (3) \end{matrix}

图 2. 聚光模组的修减过程示意图。 (a)反射表面所在的抛物线; (b)双抛物面结构; (c)修减后得到聚光模组最终结构

Fig. 2. Schematic of modification procedure of the concentration module. (a) Parabola curve in the reflective surface; (b) two-paraboloid structure; (c) concentration module trimmed off

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为了增大系统的几何聚光比,将聚光模组整列修减,得到扇形结构的聚光模组单元,如图3所示。设聚光模组单元的圆心角为γ,则

\begin{matrix} γ = 2 \arctan (\frac{a \cdot D}{N_{C} - 1 + \sqrt[]{4 a \cdot h + 1 - a^{2} D^{2}}}), (4) \end{matrix}

式中N_C为聚光模组单元中所包含聚光模组的数量。修减后的聚光模组单元中只有第N_C个聚光模组的后抛物面宽度D值被保留。

图 3. 聚光模组单元示意图

Fig. 3. Schematic of the concentration module unit

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2.2 无漏光波导板的设计

对于会聚后的光线,需要设计耦合结构将光线导入波导板中。图4(a)中在波导板上表面添加半球型光线耦合结构,使会聚光线以原有路径通过全反射传播至波导板末端的光电池所在位置处。但是,光线经过阵列过多的光线耦合结构后,会从波导板上表面的半球型部分漏出,影响系统的聚光效率。为了解决漏光引起的聚光效率降低的问题,在波导板中嵌入空气三棱柱结构,如图4(b)所示,该结构的高度与波导板厚度相同均为d_y,底边宽度为d_x,底边高度为d_z。定义空气三棱柱底面三角形的高宽比为r=d_z/d_x,则空气三棱柱顶角α的表达式为

\begin{matrix} α = 2 \arctan (1 / 2 r) 。 (5) \end{matrix}

图 4. (a) 半球形光线耦合结构示意图; (b) 空气三棱柱结构示意图

Fig. 4. (a) Schematic of the hemisphere coupling structure; (b) schematic of air tri-prism structure

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由于光线耦合结构的尺寸很小,等腰三角形底边上的高d_z与聚光模组上两个抛物面之间的距离1/2a近似相等,光线通过耦合结构进入波导板后被空气三棱柱分成两部分,并通过全反射向前传播,从而绕过了后面的半球型耦合结构,保证光线在波导板中无漏光传播。但是,随着传播距离的增加,光线与空气三棱柱结构表面的入射角度不断减小,当小于临界角时,全反射条件被打破,漏光现象发生。因此,光波导板的最大长度取决于光线首次发生漏光的位置,该长度在扇形聚光系统中约等于扇形波导板的半径。

2.3 光线的传播距离计算

在聚光模组单元所接收的光线中,只有来自第N_C个聚光模组内侧抛物面上的边缘光线与聚光模组单元轴线的夹角最大,因此该光线所能传播的最大距离就等于扇形波导板的最大半径。如图5(a)所示,由几何关系可以得到该光线在x-z平面上的投影与z轴夹角β的表达式为

\begin{matrix} β = - 2 \cdot \ln \{r_{β} - R_{NC - 1} + \frac{\sqrt[]{ta n^{2} (γ / 2) \cdot r_{β}^{2} - R_{NC - 1}^{2} + 2 R_{NC - 1} \cdot r_{β}}}{r_{β} \cdot [1 + ta n^{2} (γ / 2)]}\}, (6) \end{matrix}

式中r_β=( $\begin{matrix} \sqrt[]{4 a \cdot h + 1} \end{matrix}$ -1)/(2a)为该条光线从被反射面到进入光线耦合结构之间的距离。如图5(b)所示,R_N_C_-₁=(N_C-2+ $\begin{matrix} \sqrt[]{4 a \cdot h + 1} \end{matrix}$ )/(2a)为从中心点到第(N_C-1)个聚光模组边缘之间的距

图 5. (a) x-z平面边缘光线无漏光传播路径示意图; (b)扇形无漏光聚光器俯视图

Fig. 5. (a) Schematic of the edge-ray leakage-free propagating path in x-z plane; (b) top view of the fan-shaped ray-leakage-free solar concentrator

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离。此外,第N_C个聚光器内抛物面的宽度D'可表示为

\begin{matrix} D' = 2 r_{β} \cdot sinβ 。 (7) \end{matrix}

设该光线进入光线耦合结构处与相邻空气三棱柱结构对应位置之间的距离为D₀,则

\begin{matrix} D_{0} = D' \cdot \cos (\frac{γ}{2}) \cdot [1 - \frac{\tan (γ / 2)}{tanβ}] 。 (8) \end{matrix}

光线在波导板中传播的最大距离L由两部分组成:锯齿部分和普通部分。锯齿部分的长度L_sawtooth可表示为

\begin{matrix} L_{sawtoot h} = \frac{D_{0} \cdot \cos (α / 2)}{2 \sin [(γ + α) / 2]} + r_{β} \cdot cosβ 。 (9) \end{matrix}

对于在锯齿部分传播的光线而言,全反射入射角度β是不变的。当光线进入普通部分后,全反射入射角度改变,如图6所示,设光线首次进入普通区域时与聚光模组光轴之间的夹角为δ₁,当光线在空气三棱柱结构表面发生第n次全反射后,出射光线与聚光模组光轴之间的夹角为δ_n,可以得到

\begin{matrix} δ_{n} = β + (n - 1) α + (n - 1) γ, n \geq 1 。 (10) \end{matrix}

图 6. x-z平面边缘光线在波导板普通部分的传播路径示意图

Fig. 6. Schematic of the edge-ray propagating path in the normal part of the lightguide in x-z plane

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光线在空气三棱柱表面的入射点与相邻聚光模组对应位置之间的距离D_n为

\begin{matrix} D_{n} = \{\begin{matrix} D_{0} \cdot \frac{\sin (α / 2) \cdot \sin (β + γ / 2)}{\sin [(γ + α) / 2] \cdot sinβ}, & n = 1 \\ D_{n - 1} \cdot [1 - \frac{2 \tan (π / 2 - γ / 2 - δ_{n - 1})}{1 / t an (γ / 2) + \tan (π / 2 - γ / 2 - δ_{n - 1})}], & n \geq 2 \end{matrix} 。 (11) \end{matrix}

两次全反射间在水平轴线所传播的投影距离L_n可表示为

\begin{matrix} L_{n} = D_{n} \cdot \frac{\tan (π / 2 - γ / 2 - δ_{n})}{\tan (γ / 2) \cdot [1 / \tan (γ / 2) + \tan (π / 2 - γ / 2 - δ_{n})]}, n \geq 1, (12) \end{matrix}

式中n为大于或等于1的自然数。根据全反射临界角条件:

\begin{matrix} π / 2 - (δ_{n} - α / 2) \geq θ_{C}, (13) \end{matrix}

可得光线在波导板中传播时与空气三棱柱结构发生全反射的最大次数N为

\begin{matrix} N \leq (θ_{C} - β) / (α + γ), (14) \end{matrix}

式中θ_C为全反射临界角。

光线在波导板普通部分的传播距离L_normal为

\begin{matrix} L_{normal} = \overset{N}{\sum_{n = 1}} L_{n} / \cos (γ / 2) 。 (15) \end{matrix}

需要注意的是,传播距离L_normal包含与锯齿部分重叠的部分,在计算最终距离时需要将该区域去除,去除的区域长度L_overlapping可表示为

\begin{matrix} L_{overlapping} = \frac{D_{0} \cdot \sin (α / 2)}{2 \sin [(γ + α) / 2] \cdot tanβ}, (16) \end{matrix}

因此,最终光线在扇形波导板中的传播距离L可表示为

\begin{matrix} L = L_{sawtoot h} + L_{normal} - L_{overlapping} 。 (17) \end{matrix}

3 复合跟踪装置的设计

为了更高效地接收太阳光线,需要设计太阳轨迹跟踪系统。文中提出的复合跟踪装置分为两部分:机械单轴追踪器和可传动棱镜片组。单轴追踪器绕x轴转动以便追踪太阳在东西方向的运动轨迹,如图7所示。可传动棱镜片组能够校正赤道面与黄道面之间的夹角引起的太阳与y轴之间的偏转角度γ(如图8所示),使光线能够在聚光模组上表面垂直入射。根据太阳在一年中的运行规律,计算出γ的变化角度,以便于更准确地追踪太阳光线位置。

图 7. 单轴追踪器运动轨迹示意图

Fig. 7. Schematic of the single-axis tracker movement trace

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图 8. 可传动棱镜片组示意图

Fig. 8. Schematic of the scrollable prism sheets

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根据太阳轨迹的运行规律,如图9所示,将太阳在天空中的位置用球坐标系表示,即半径为r、方位角为A_z,俯仰角为A_e。因此,在笛卡尔坐标系中太阳的运行轨迹可表示为^[17]

\begin{matrix} \{\begin{matrix} x = r \times \cos A_{e} \times \cos A_{z}, \\ y = r \times \sin A_{e}, \\ z = r \times \cos A_{e} \times \sin A_{z} 。 \end{matrix} (18) \end{matrix}

图 9. 太阳在天空中的坐标位置示意图

Fig. 9. Schematic of the sun position in the sky

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图 10. (a)追踪系统与地面倾斜角γ0示意图; (b)追踪器绕x'轴旋转α'角度示意图

Fig. 10. (a) Schematic of the angle γ0 between the tracker and ground; (b) schematic of the tracker rotates α'around the x'-axis

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考虑到太阳在一年四季中运行轨迹的变化,追踪系统需要与地面保持一定的倾斜角γ₀,以保证在春分或者秋分时期光线能够垂直入射聚光器上表面,如图10(a)所示。因此,在以波导板为x-z平面的局部坐标系下,太阳的位置坐标可表示为

\begin{matrix} \{\begin{matrix} x' = x \times \cos γ_{0} + y \times \sin γ_{0}, \\ y' = - x \times \sin γ_{0} + y \times \cos γ_{0}, \\ z' = z 。 \end{matrix} (19) \end{matrix}

在太阳自东向西的运行过程中,单轴追踪器绕x'轴旋转并始终朝向太阳的位置方向。设追踪器绕x'轴旋转了α'角度,如图10(b)所示,此时太阳的位置坐标在以波导板为x'-z'平面的局部坐标系下可表示为

\begin{matrix} \{\begin{matrix} x ″ = x', \\ y ″ = y' \times cosα' + z \times sinα', \\ z ″ = - y' \times sinα' + z \times cosα' 。 \end{matrix} (20) \end{matrix}

太阳能够照射在x″-y″平面上,并与y″轴夹角为γ″ ,则

\begin{matrix} γ ″ = - \arctan (x ″ / y ″) 。 (21) \end{matrix}

某地区中央气象局发布的太阳位置空间坐标(r、A_z和A_e)已知,利用 (18)~(21) 式可计算得到夹角γ″。通过设计相应的可传动棱镜片组可以校正并消除夹角γ″。

4 仿真与结果分析

4.1 聚光器的几何聚光比研究

对于本文提出的基于抛物线方程的太阳能聚光器而言,几何聚光比C_geo定义为接收光线面积S_r与太阳能电池面积S_c的比值^[18],即

\begin{matrix} \begin{matrix} S_{r} = γ \cdot [R_{NC}^{2} - (R_{NC} {- L)}^{2}], (22) \\ S_{c} = 2 γ \cdot (R_{NC} - L) \cdot d_{y}, (23) \\ C_{geo} = \frac{S_{r}}{S_{c}} = \frac{R_{NC}^{2} - (R_{NC} {- L)}^{2}}{2 (R_{NC} - L) \cdot d_{y}}, (24) \end{matrix} \end{matrix}

式中R_N_C=(N_C-1+ $\begin{matrix} \sqrt[]{4 a \cdot h + 1} \end{matrix}$ )/(2a)为中心点到第N_C个聚光模组边缘之间的距离。由于(24)式中包含波导板厚度独立变量d_y,故可以通过调整波导板厚度改变聚光器的聚光比,从而实现聚光比的动态调控,适应不同程度的聚光需求。在本文的设计方法中,抛物线系数的变化是影响整个系统几何聚光比的主要因素,因此需要在分析几何聚光比的同时研究抛物线系数的变化。

图 11. 几何聚光比随抛物线系数和聚光模组数量变化图

Fig. 11. Diagram of geometrical concentration ratio varies with parabola coefficient and concentration module amount

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利用MATLAB软件,根据(4)式和(24)式对抛物线系数、聚光模组数量和几何聚光比进行仿真,如图11所示,设置抛物线系数和聚光模组数量为变量,其他参数为常量。由图11可以看出,几何聚光比随抛物线系数的增大而逐渐减小,从等高线的疏密程度发现,几何聚光比在减小的过程中减小速度变小,这说明数值较小的抛物线系数对于几何聚光比有较大影响;另一方面,随着聚光模组数量的增多几何聚光比数值变大,但是相比抛物线系数对于几何聚光比的影响较小,这说明增加聚光模组的数量能够在一定程度上提高系统的几何聚光比,但同时也增加了系统的总体质量与体积,因此在选择聚光模组数量时,除了要满足系统几何聚光比的需求外,在实际应用中还需要考虑聚光模组以及波导板的质量和体积。

利用MATLAB软件,根据(4)式和(24)式对抛物线系数、第N_C个聚光模组的后抛物面宽度和几何聚光比进行仿真,如图12所示,设置抛物线系数及抛物面宽度为变量,其他参数为常量。由图12可以看出,当给定抛物线系数数值时,几何聚光比随抛物面宽度的变化呈抛物线状,即在给定区间内存在几何聚光比的极大值和极小值。此外,根据等高线的疏密程度可以看出,在抛物面宽度较小时,几何聚光比增大的速度较快;在抛物面宽度较大时,几何聚光比下降的速度较慢。因此,选用抛物面宽度较大的聚光模组能够得到相对稳定的几何聚光比。

图 12. 几何聚光比随抛物线系数和聚光模组后抛物面宽度变化图

Fig. 12. Diagram of geometrical concentration ratio varies with parabola coefficient and posterior paraboloid width

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4.2 聚光器的聚光效率研究

聚光效率η定义为进入光电池的能量与接收全部太阳能量的比值^[19],设E_cell为进入光电池的能量,E_solar为接收到的太阳能量,则

\begin{matrix} η = E_{cell} / E_{solar} 。 (25) \end{matrix}

在该仿真中,太阳光选择以±0.26°^[20]发散角入射至聚光模组上表面,波段选择为400~700 nm,考虑光线在各表面的菲涅耳损失及光学材料的吸收,聚光模组及波导板的光学材料选择聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

利用LightTools软件对不同抛物线系数的聚光器进行仿真,几何聚光比及相应的聚光效率随抛物线系数的变化情况如图13所示,其中红色圆点曲线代表几何聚光比,可以看出,几何聚光比随抛物线系数的增大而减小,这与4.1节分析一致。图中蓝色方块实线代表无漏光波导板情况下聚光效率变化情况,蓝色方块虚线代表普通波导板情况下聚光效率变化情况。在抛物线系数a=0.019 时,几何聚光比达到1900,此时添加无漏光波导板情况下的聚光效率达到65.1%,是相同条件下普通波导板聚光效率的2.61倍;在抛物线系数a=0.032时,几何聚光比达到1110,此时添加无漏光波导板情况下聚光效率达到82.3%,是相同条件下普通波导板聚光效率的1.11倍。故无漏光波导板情况下聚光效率始终保持在普通波导板情况的上方,且在几何聚光比较大的情况下,聚光效率的差值较大,这说明无漏光波导板在大聚光比情况下的作用更加明显。

图 13. 几何聚光比与聚光效率随抛物线系数变化图

Fig. 13. Diagram of geometrical concentration ratio and optical efficiency varies with the parabola coefficient

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4.3 可传动棱镜片组的底角设计

根据文中第3部分所提出的聚光器追踪器的设计方法,计算得到太阳位置与y″轴夹角γ″在一天之内的变化约为0.26°,若聚光系统在俯仰方向能够接收±0.5° ,则需要每4 d对俯仰方向进行调节。本节通过LightTools仿真数据结果绘制出校正夹角γ″所需相应棱镜底角的角度变化,如图14所示,得到棱镜底角随夹角γ″变化的离散数据点。容易看出,棱镜底角随夹角γ″的增大而增大,但增长速度逐渐变缓。不同底角角度的棱镜片组顺序排列在聚光模组上方,通过步进电机以4 d为步进周期调整校正夹角γ″,相关结构与电路设计本文不再给出。

图 14. 棱镜底角随光线入射角度的变化示意图

Fig. 14. Diagram of the base angle of prism varies with incident angles of light

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5 结论

利用抛物面方程的几何性质,根据折射和反射定律,设计了扇形无漏光太阳能聚光器,所提出的无漏光锯齿型波导板能够有效提高聚光系统的几何聚光比和聚光效率。为了降低系统运行功耗,通过分析太阳运行规律,提出可传动棱镜片组的设计以取代传统双轴跟踪方式,在一定意义上实现单轴追踪。在考虑菲涅耳损失以及材料吸收情况下,利用LightTools软件对所设计的聚光系统进行光线追迹,结果表明:在抛物线系数a=0.019 时,添加无漏光波导板后聚光器的几何聚光比达到1900,此时添加无漏光波导板情况下的聚光效率达到65.1%,是相同条件下普通波导板聚光效率的2.61倍;在抛物线系数a=0.032时,几何聚光比达到1110,此时添加无漏光波导板情况下聚光效率达到82.3%,是相同条件下普通波导板聚光效率的1.11倍。为了进一步获得该光学系统的实际聚光效率,需要进行实际系统的平台搭建与实验测试,这也是本课题组未来工作的重点。

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扇形无漏光太阳能聚光器的设计方法下载： 1012次

1 引言

2 聚光器设计原理

图 1. (a)单聚光模组的光线追迹; (b)聚光模组单元的光线追迹; (c)扇形无漏光太阳能聚光器结构示意图

Fig. 1. (a) Ray tracing of a concentration module; (b) ray tracing concentration modules unit; (c) schematic of fan-shaped ray-leakage-free solar concentrator structure

2.1 聚光模组的设计

图 2. 聚光模组的修减过程示意图。 (a)反射表面所在的抛物线; (b)双抛物面结构; (c)修减后得到聚光模组最终结构

Fig. 2. Schematic of modification procedure of the concentration module. (a) Parabola curve in the reflective surface; (b) two-paraboloid structure; (c) concentration module trimmed off

图 3. 聚光模组单元示意图

Fig. 3. Schematic of the concentration module unit

图 4. (a) 半球形光线耦合结构示意图; (b) 空气三棱柱结构示意图

Fig. 4. (a) Schematic of the hemisphere coupling structure; (b) schematic of air tri-prism structure

图 5. (a) x-z平面边缘光线无漏光传播路径示意图; (b)扇形无漏光聚光器俯视图

Fig. 5. (a) Schematic of the edge-ray leakage-free propagating path in x-z plane; (b) top view of the fan-shaped ray-leakage-free solar concentrator

图 6. x-z平面边缘光线在波导板普通部分的传播路径示意图

Fig. 6. Schematic of the edge-ray propagating path in the normal part of the lightguide in x-z plane

3 复合跟踪装置的设计

图 7. 单轴追踪器运动轨迹示意图

Fig. 7. Schematic of the single-axis tracker movement trace

图 8. 可传动棱镜片组示意图

Fig. 8. Schematic of the scrollable prism sheets

图 9. 太阳在天空中的坐标位置示意图

Fig. 9. Schematic of the sun position in the sky

图 10. (a)追踪系统与地面倾斜角γ0示意图; (b)追踪器绕x'轴旋转α'角度示意图

Fig. 10. (a) Schematic of the angle γ0 between the tracker and ground; (b) schematic of the tracker rotates α'around the x'-axis

4 仿真与结果分析

图 11. 几何聚光比随抛物线系数和聚光模组数量变化图

Fig. 11. Diagram of geometrical concentration ratio varies with parabola coefficient and concentration module amount

图 12. 几何聚光比随抛物线系数和聚光模组后抛物面宽度变化图

Fig. 12. Diagram of geometrical concentration ratio varies with parabola coefficient and posterior paraboloid width

图 13. 几何聚光比与聚光效率随抛物线系数变化图

Fig. 13. Diagram of geometrical concentration ratio and optical efficiency varies with the parabola coefficient

图 14. 棱镜底角随光线入射角度的变化示意图

Fig. 14. Diagram of the base angle of prism varies with incident angles of light

5 结论

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1 引言

2 聚光器设计原理

图 1. (a)单聚光模组的光线追迹; (b)聚光模组单元的光线追迹; (c)扇形无漏光太阳能聚光器结构示意图

Fig. 1. (a) Ray tracing of a concentration module; (b) ray tracing concentration modules unit; (c) schematic of fan-shaped ray-leakage-free solar concentrator structure

2.1 聚光模组的设计

图 2. 聚光模组的修减过程示意图。 (a)反射表面所在的抛物线; (b)双抛物面结构; (c)修减后得到聚光模组最终结构

Fig. 2. Schematic of modification procedure of the concentration module. (a) Parabola curve in the reflective surface; (b) two-paraboloid structure; (c) concentration module trimmed off

图 3. 聚光模组单元示意图

Fig. 3. Schematic of the concentration module unit

图 4. (a) 半球形光线耦合结构示意图; (b) 空气三棱柱结构示意图

Fig. 4. (a) Schematic of the hemisphere coupling structure; (b) schematic of air tri-prism structure

图 5. (a) x-z平面边缘光线无漏光传播路径示意图; (b)扇形无漏光聚光器俯视图

Fig. 5. (a) Schematic of the edge-ray leakage-free propagating path in x-z plane; (b) top view of the fan-shaped ray-leakage-free solar concentrator

图 6. x-z平面边缘光线在波导板普通部分的传播路径示意图

Fig. 6. Schematic of the edge-ray propagating path in the normal part of the lightguide in x-z plane

3 复合跟踪装置的设计

图 7. 单轴追踪器运动轨迹示意图

Fig. 7. Schematic of the single-axis tracker movement trace

图 8. 可传动棱镜片组示意图

Fig. 8. Schematic of the scrollable prism sheets

图 9. 太阳在天空中的坐标位置示意图

Fig. 9. Schematic of the sun position in the sky

图 10. (a)追踪系统与地面倾斜角γ0示意图; (b)追踪器绕x'轴旋转α'角度示意图

Fig. 10. (a) Schematic of the angle γ0 between the tracker and ground; (b) schematic of the tracker rotates α'around the x'-axis

4 仿真与结果分析

图 11. 几何聚光比随抛物线系数和聚光模组数量变化图

Fig. 11. Diagram of geometrical concentration ratio varies with parabola coefficient and concentration module amount

图 12. 几何聚光比随抛物线系数和聚光模组后抛物面宽度变化图

Fig. 12. Diagram of geometrical concentration ratio varies with parabola coefficient and posterior paraboloid width

图 13. 几何聚光比与聚光效率随抛物线系数变化图

Fig. 13. Diagram of geometrical concentration ratio and optical efficiency varies with the parabola coefficient

图 14. 棱镜底角随光线入射角度的变化示意图

Fig. 14. Diagram of the base angle of prism varies with incident angles of light

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