作者单位
摘要
1 长春理工大学 空间光电技术研究所, 吉林 长春 130022
2 中广核太阳能开发有限公司, 北京 100000
3 厦门理工学院 光电与通信工程学院, 厦门 361024
聚焦型太阳模拟器可以获得高倍汇聚的太阳辐射光斑,在太阳能热发电及热化学研究领域具有重要应用。为了获得均匀的太阳辐射光斑,提出了基于非成像光学的自由曲面聚光镜设计方法。详细阐述了设计原理与具体方法。设计了自由曲面聚光镜,并将其与包容角相同的非共轴椭球聚光镜进行对比。通过仿真分析验证了设计方法的正确性。仿真结果表明:使用额定功率为6 kW的氙灯作为光源时,自由曲面聚光镜构成的单灯太阳模拟器可以在直径为60 mm的目标面内提供平均辐照度为274.4 kW/m2的光斑,与非共轴椭球太阳模拟器相比,光斑不均匀度从18.28%下降到5.69%;七灯太阳模拟器可以产生平均辐照度为1.65 MW/m2的光斑,光斑不均匀度从13.19%下降到5.79%。
太阳模拟器 自由曲面 光学设计 光斑均匀度 能流分布 solar simulator free-form surface optical design spot uniformity heat flux distribution 
中国光学
2023, 16(6): 1356
作者单位
摘要
兰州交通大学 国家绿色镀膜技术与装备工程技术研究中心,甘肃 兰州 730070
吸热管表面能流密度分布的均匀性对线性菲涅耳式聚光器的光热性能及安全运行有着重要影响。基于Tonatiuh光学仿真软件构建了线性菲涅耳式聚光器模型,研究了圆柱面形反射镜焦距及瞄准点位置与光斑宽度之间的关系,在此基础上探讨了不同瞄准策略下线性菲涅耳式聚光器的光学效率及能流分布的均匀性。结果表明:采用瞄准点均匀分布的瞄准策略,聚光器在保持较高光学效率的同时能够提升集热管表面能流分布的均匀性。采用优化后的瞄准策略,线性菲涅耳式聚光器光学效率可达到87.4%,集热管表面能流密度标准差由45.3%降低到30.7%,集热管顶部能流密度提升了10.2%。集热管空管预热采用该优化瞄准策略,在变占空比跟踪模式下,集热管弯曲变形程度远小于现有瞄准策略。该结果可为线性菲涅耳式聚光集热系统的优化设计提供理论支撑。
聚光太阳能热发电 线性菲涅耳式聚光器 瞄准策略 能流分布 光学效率 concentrating solar thermal power linear Fresnel concentrator aiming strategy energy flow distribution optical efficiency 
红外与激光工程
2023, 52(9): 20230259
作者单位
摘要
1 长春理工大学 空间光电技术研究所, 吉林 长春 130022
2 中国广核新能源控股有限公司, 北京 100000
3 厦门理工学院 光电与通信工程学院, 福建 厦门 361024
本文提出了一种高倍汇聚辐射光斑能流分布测量新方法,采用辐射能流传感器测量光斑不同位置的能流密度,通过多项式拟合光斑不同位置的灰度与能流密度标定曲线,最终获得辐射光斑的能流分布,并详细阐述了辐射光斑能流分布的测量原理。为了验证测量方法的准确性和可行性,进行了高倍汇聚辐射光斑能流分布测量实验,并与辐射能流传感器测量结果进行比较。结果表明:该测量方法的测量结果与辐射能流传感器的直接测量结果一致,测量偏差小于0.54%,通过分析得出该测量方法的测量不确定度为4.35%,测量准确度较传统测量方法有所提高,满足实际应用需求。
测量系统 辐射光斑 能流分布 摄影测量法 能流密度 measurement system radiation spot flux distribution photogrammetry flux density 
中国光学
2023, 16(3): 620
作者单位
摘要
湖南科技大学机电工程学院,湖南 湘潭 411201
针对两种光-机集成建模方法开展验证研究,包括只考虑载荷作用下镜面单元空间位姿变化(忽略镜面自身弹性变形)的镜面位姿重构方法,以及本文提出的平面微元替代方法。平面微元替代方法是将聚光器反射镜面离散成大量平面微元,并根据平面微元的变形信息直接建立其几何光学信息,实现光-机分析的数据统一与集成,建立反射镜面的光-机信息集成模型。采用两种光-机集成方法模拟得到的聚焦能流分布结果相互印证,并与承载下聚光实验测量结果进行对比验证,结果充分说明了两种建模方法的有效性。当聚光器中各反射镜面的弹性变形较大时,镜面位姿重构方法将会失去准确预测其光学性能的能力;而平面微元替代方法能够考虑载荷作用下反射镜的任何变形(弹性变形和刚体位移),能准确预测聚光性能,具有普适性和简单的优点。对于聚焦能流密度较低的情况,实验表明采用粗糙白纸(打印纸)作为朗伯靶面用于聚焦能流密度测量简单可行。
光学设计 太阳能聚光器 镜面变形 光-机集成建模 光学性能 能流分布 optical design solar concentrator mirror surface deformation optical-mechanical integration modeling optical performance flux distribution 
光学学报
2022, 42(20): 2022001
作者单位
摘要
湖南科技大学机电工程学院,湖南 湘潭 411201
提出一种相同尺寸曲面镜单元旋转阵列的新型碟式聚光器,包括抛物镜和球面镜阵列两种,具有制造简单、成本低和镜面单元间无遮挡可紧凑布置等优点。采用光线跟踪方法,以典型口径聚光器(宽度为D=10 m)为例,以聚光器的焦距f1=R1/2与其宽度D的比值f1/D、抛物镜焦距fm与旋转阵列半径R1的比值fm/R1和球面镜半径RmR1的比值Rm/R1为无量纲参数,详细分析了镜面宽度d和上述无量纲参数对聚光器光学性能的影响,充分展示了新型聚光器在聚光光热(高聚光比需求)和聚光光伏领域(高能流均匀性需求)中的应用价值,并为其设计提供了依据。研究结果表明:新型碟式聚光器中平面接收器应位于z=f1之下的合理位置处才能使聚焦光斑达到最小;采用抛物镜时聚焦光斑的拦截宽度在fm/R1=0.6处达到最小值,而采用球面镜时通常在Rm/R1=1.0处达到最小。平均聚光比和峰值聚光比随聚光器几何参数的变化规律与拦截宽度相反:采用抛物镜时它们分别可高达2846.8和7107.0,对应的拦截宽度仅有88.3 mm;采用球面镜时二者分别可高达3000.0和7800.0,对应的拦截宽度只有87.5 mm,非常适用于高温聚光光热领域。聚光器取合理几何参数时总能获得能流分布非常均匀的正方形聚焦光斑,其平均聚光比可达420,非常适用于高倍聚光光伏领域。
光学设计 太阳能碟式聚光器 旋转阵列布置 抛物镜单元 球面镜单元 光学性能 均匀能流分布 optical design dish solar concentrator rotating array arrangement parabolic mirror unit spherical mirror unit optical performance uniform flux distribution 
光学学报
2022, 42(15): 1522002
作者单位
摘要
湖南科技大学机电工程学院, 湖南 湘潭 411201
提出了一种基于相同抛物镜面单元旋转阵列的低成本新型槽式聚光器。采用光线跟踪方法建立了该聚光器的光学分析模型,并详细研究了镜面焦距(f)、镜面宽度、平面接收器位置、旋转阵列半径(R1)和旋转阵列数量(N)等关键参数对其聚光性能的影响规律,为其设计与应用提供了重要依据。研究结果表明:新型槽式聚光器能很好地汇聚太阳光能,并且它不同于传统抛物槽式聚光器将平行光汇聚于某点,而是有所“分散”地进行汇聚,具备实现平面接收器上均匀聚焦能流分布的潜力;聚焦光斑的合理接收位置会随旋转阵列半径的改变而变化,通常接收器位于旋转阵列半径的一半位置是合适的,但要获得最小聚焦光斑则需将其下移150~200 mm;聚焦光斑宽度随镜面编号呈指数增大关系,特别是当镜面宽度较大且旋转阵列半径较小时;旋转阵列半径越大或镜面宽度越小,聚焦能流分布越集中且峰值聚光比越大(算例中已达到50),此时聚焦能流基本呈高斯分布特征。此外,采用较小旋转阵列半径可降低接收器的安装高度并改善能流均匀性。在算例中,当f=8000 mm、R1=4000 mm、N=5且接收器位于1830 mm位置时,聚焦光斑能量分布非常均匀,大部分区域聚光比稳定在7.3,此时的聚光器非常适用于聚光光伏/光热应用领域。
光学设计 抛物镜面 新型太阳能槽式聚光器 均匀能流分布 光学性能 光线跟踪方法 optical design parabolic mirror novel solar trough concentrator uniform energy flux distribution optical performance ray tracing method 
光学学报
2022, 42(5): 0522002
孟宪龙 1,2,3,*刘备 1,2,3段辰星 1,2刘存良 1,2,**
作者单位
摘要
1 西北工业大学动力与能源学院, 陕西 西安 710072
2 陕西省航空动力系统热科学重点实验室, 陕西 西安 710129
3 西北工业大学太仓长三角研究院, 江苏 太仓 215400
如何充分利用大开口面积下槽式抛物面聚光器(PTC)的全区域辐射能量是需要考虑的关键问题,为此提出一种新型槽式自由曲面太阳能聚光器(TFFC),利用光伏/光热同时收集的形式扩展PTC聚光器的开口利用面积,在靠近PTC内侧采用传统槽式换热器形式,外侧则基于边缘光线传输原理设计一种自由曲面聚光光伏系统,采用倾斜的方式使太阳能电池板扩展能量接收面积,并获得均匀性极佳的聚光能流分布。之后采用光线追迹方法验证了其光学特性,并与传统PTC系统进行对比以完成结构参数的敏感性分析和误差因素的探讨,所得结果对槽式太阳能集热器系统的改进优化具有重要意义。
光学设计 自由曲面 太阳能聚光器 几何构造法 光线追迹法 能流分布 optical design free-form surface solar concentrator geometric construction method ray tracing method energy flow distribution 
光学学报
2021, 41(15): 1522002
张娜 1,2,**王成龙 1,*梁飞 1,2朱国栋 1,2赵雷 1,2
作者单位
摘要
1 兰州交通大学国家绿色镀膜技术与装备工程技术研究中心, 甘肃 兰州 730070
2 兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室, 甘肃 兰州 730070
聚光型太阳能热发电(CSP)作为一种重要的可再生能源技术,对开发利用太阳资源、保障能源的供给、节能减排具有重要的作用和意义。分别对槽式系统、线性菲涅耳系统、塔式系统、碟式系统4种CSP系统接收器表面能流特性进行分析,对接收器表面非均匀分布的能流特性带来的挑战和提出的解决方法进行分析总结。接收器表面非均匀的能流分布会导致局部温度过高,给系统的安全高效运行带来不利影响,故需要对聚光集热系统进行优化改进。而解决CSP系统非均匀能流问题的方法主要为改善聚光性能和吸热性能,使系统达到“光热匹配”。
非线性光学 光热发电 非均匀能流分布 聚光系统 优化改进 nonlinear optics concentrating solar thermal power non-uniform flux distribution concentrating system optimization and improvement 
激光与光电子学进展
2018, 55(12): 120004
作者单位
摘要
1 云南师范大学太阳能研究所, 云南 昆明 650500
2 中国科学技术大学热科学和能源工程系, 安徽 合肥 230026
3 常州大学石油工程学院, 江苏 常州 213000
提出了一种新型多平面镜线性组合太阳能聚光器的聚光光伏系统,应用几何分析法计算影响聚光器光学效率的几何参数因子。采用最小设计间距和余弦效率的概念,得出了不同子镜面尺寸和不同子镜面数量与焦距长短的相互影响规律,得到了最小设计间距值和最优的余弦效率。利用TracePro软件建立了聚光器的仿真模型,并对不同几何参数下焦平面上的能流分布特性进行了模拟研究。制作了一套450倍聚光的多平面镜线性组合太阳能聚光器,并进行初步测试,证实聚光焦平面上的能流分布均匀性可达到预期设计效果,为点聚光式太阳能聚光系统的设计和优化提供了参考。
光学设计 碟式聚光器 多平面镜 最小设计间距 余弦效率 能流分布 optical design dish concentrator multi-plane mirror minimum design spacing cosine efficiency flux distribution 
光学学报
2016, 36(4): 0422002
作者单位
摘要
1 兴义民族师范学院 物理与工程技术学院, 贵州 兴义 562400
2 河南师范大学 物理与电子工程学院, 河南 新乡 453000
通过转移矩阵方法理论,研究含左手材料平板波导导波模式与表面波的特性,结果表明: 在TE极化情况下,当包裹层为金属-芯层为左手材料的三层平板波导满足波导导行条件时,导波层能承载新功能的导波模式,即不存在TE0模; 在特殊条件下存在TE1模,而且这导波模式与电磁波频率、材料的介电常数和磁导率密切相关; 当不满足波导导行条件时,三层平板波导的三个区域出现不同指数规律衰减的表面波,当导波系数与导波层厚度的乘积为2.1π时,不同模式的表面波将趋向一致。模系数m的奇偶性对导波模式和表面波的能流分布有着显著的影响。利用包裹层为金属-芯层为左手材料三层平板波导的导波模式、表面波和能流分布的奇异特性,可以实现特效导波模式的波导器件,为波导实际设计和应用提供了理论参考。
转移矩阵法 左手材料 平板波导 导波模式 能流分布 transition matrix left-handed materials slab waveguides Guided wave mode energy flux distribution 
光电子技术
2015, 35(1): 5

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