小型太阳能聚光镜的优化设计

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1、小型太阳能聚光镜的优化设计张晓晨张勇秦思康剑南赵明阳能源科学与工程学院指导教师：谈和平一、课题研究目的本课题基于ZEMAX光学软件对太阳能聚光镜面型进行了优化设计，搭建聚光实验平台以验证数值仿真的可信度。通过优化镜面参数，以聚光比、光斑热流均匀度及入射光敏性等参数为目标函数，获得了超环面和菲涅尔反射面是较理想的面型选择。优化结果表明，超环面和菲涅尔反射面在保证一定聚光比的前提下，可以大大降低聚光镜对光线入射角的敏感度，这不仅简化了复杂的太阳实时跟踪系统，缩减了应用成本，还为太阳能的规模化低成本利用提供了新思路。二、课题背景太阳能既是一次能源，又是可再生能源，其资源

2、丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。小型太阳能聚光镜的优点在于便于拆装、运输，适合于小功率太阳能利用场合，尤其用于我国西北或西南太阳能丰富而矿产资源和电力供应较贫乏的地区，可以改善人们的生活水平和生活质量，正响应了国家的环保节能举措。但是太阳能的收集和利用具有如下两个缺点：一是能流密度低；二是其强度受各种因素的影响难以维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。目前国内外有关太阳能聚光镜的研究已有很大进展。中国科技大学陈天应教授发明的“陈氏曲面镜”，其镜面是高次曲面。这种曲面镜采用了同时聚光和跟踪的设计思路，能够有效地消除太阳光斑的像差，而且比传

3、统几何镜面（球面或抛物面等）的聚光倍数大幅度提高，但这种镜面的加工技术和成本较高。又如中科院太阳能研究所与皇明太阳能公司等单位合作，研究出的超轻型结构的反射面，解决了使用平面玻璃制作曲面镜的问题，但这种定日镜自身难以逾越的缺点是反射率较低、结构复杂。而采用传统玻璃反射镜的优点是其重量轻，抗变型能力强，反射率高，易清洁等。三、课题研究主要内容目前碟型抛物面聚光镜存在反射镜曲面对光线入射角度过于敏感的缺点，造成聚光光斑各项参数指标随入射角度变化过大，影响整个聚光系统的效率。ZEMAX是用于光学系统设计分析和优化处理的光学专业软件，本课题主要利用该软件设计和分析太阳能聚

4、光镜面，通过参数选择、仿真验证、优化设计等方法对若干种曲面反射镜的太阳能聚光过程进行仿真分析。本实验项目在露天环境下的抛物镜聚光实验基础上利用ZEMAX软件特有功能设计出三种新型聚光曲面，超环面、双圆锥系数曲面和菲涅尔反射面。在不同入射光线的投射下对上述三种面型进行太阳能聚集过程仿真，得到各曲面的聚光光斑参数并绘制出聚光性能图。其中超环面和菲涅尔反射面在聚光镜中的应用是本领域内的一次创新尝试，其对光线入射角度的低敏感性可以在一定程度上简化复杂而昂贵的太阳实时跟踪系统，大大削减了太阳能聚光装置的开发成本，为太阳能的规模化应用提供了新思路。四、结论本课题应用专业光学软

5、件ZEMAX对太阳光线的聚集过程进行模拟仿真。通过对十万束太阳光线的追迹计算，以露天环境下的抛物面聚光镜实验为依托设计仿真出三种新式镜面的聚光过程，4并对部分设计参数进行了优化。课题主要工作与结论如下：1.深入学习ZEMAX软件并熟悉对反射镜面聚光过程进行仿真的方法。本课题用到ZEMAX诸多功能，如光线追迹、公差分析、优化参数、NSC模式仿真、用户自定义面型设计和结果报告等。通过对多种面型在不同光线追迹模式中的构造与仿真，获得可用于光学镜面设计制作的重要参数。2.本小组在哈工大航空航天热物理研究所的帮助下搭建抛物面聚光镜实验台并进行了仿真，其结果在光斑尺寸和聚光温

6、度方面与真实聚光数据相吻合，达到了仿真的目的并验证了作者运用ZEMAX软件实现聚光过程仿真的能力。3.本课题以抛物镜面参数为参考设计了三种新式反射聚光镜面。光源口径1200mm，光源入射能量210W，光线追迹总数100000，分别对超环面、双圆锥系数曲面和菲涅尔反射表面的聚光过程进行了仿真，得到一系列不同入射角度情况下的光斑数据，可用于创新面型的设计和制作：（1）入射角度在0°~15°时，超环面的聚光光斑尺寸最小，而光斑直径变化最小的是菲涅尔反射表面，双圆锥系数表面的聚光性能处于两者之间。当入射角度大于15°时，双圆锥系数表面聚光光斑直径骤然增大，超环面和菲涅尔表

7、面的光斑尺寸变化不大，超环面光斑直径具有随入射角度增大而减小的趋势；（2）三种新式表面的聚光能量均随光线入射角度的增加而减小。入射角在0°~15°范围内时，超环面聚光光斑具有较高能量，菲涅尔表面的光斑能量最低。当入射角度增加至15°以上时，超环面光斑能量骤然下降，双圆锥系数表面光斑能量在0°~15°范围内基本呈线性缓慢下降。相比之下，菲涅尔聚光表面的光斑能量要比以上两种曲面低5%左右；（3）超环面和菲涅尔表面在聚光光斑的峰值能量强度方面具有很大优势，其光斑的峰值能量强度波动范围不大。超环面光斑峰值能量强度最高，表明其光斑分布较不均匀，会造成能量接收器的局部烧坏现象

8、，而菲涅尔