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1、第37卷第11期光子学报Vol.37No.112008年11月ACTAPHOTONICASINICANovember20083太阳能塔式热发电聚光场的光学性能分析1,2311魏秀东,王瑞庭,张红鑫,卢振武(1中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室,长春130033)(2中国科学院研究生院,北京100049)(3吉林大学数学学院,长春130022)摘要:提出了一种动态模拟太阳能塔式热发电聚光场焦斑及焦面上能流密度分布的方法,采用光线追迹法对聚光过程进行建模,推导了焦斑计算公式,并编制了基于MATL
2、AB的应用程序,实现了对焦斑及焦面上能流密度分布的实时模拟,给出了焦斑分布及焦面上任意点能流密度随时间的变化曲线.关键词:太阳能塔式热发电;聚光场;光线追迹法;动态模拟中图分类号:O439文献标识码:A文章编号:100424213(2008)1122279250引言角θ,表示入射角,δR表示集热器轴线与铅垂方向的夹角,EH,AH分别表示镜面中心点法线方向的俯仰[1]太阳能聚光热发电技术是利用聚光场收集太角和方位角,T和M分别表示集热器入口和定日镜阳辐射能,利用得到的热能进行发电的技术.太阳能的中心点,在跟踪太阳过程中
3、所有定日镜的反射主聚光技术是光学技术在太阳能发电领域的具体应光线始终瞄准T点,M、T间距离用S0表示.用.聚光场由按一定规律布置的定日镜阵列组成,每[2]面定日镜可绕双轴转动跟踪太阳并将阳光反射到集热器,因此,在电站运行过程中,聚光场的焦斑动态变化.由于光场的复杂性和动态性,采用传统光学[326]设计软件及设计方法很难实现对聚光场的优化设计.目前,国外有关聚光场的设计软件如[7][829]HFLCAL,DELSOL3,WinDELSOL1.0及[10211]其他一些设计方法均处于实验研究阶段,国内还没有相关设计软件的
4、报道.此外,现有的设计软件一般只考虑提高聚光场的光学效率,而忽视了聚光场与集热器的匹配,在电站的实际运行中存在一定的安全隐患.为了更好的实现聚光场的优化设计,使聚光场图1坐标系统的建立与集热器达到匹配,需要分析聚光场的聚光特性.本Fig.1Toestablishthecoordinatesystem文采用光线追迹法对聚光场的聚光过程进行建模,以M为原点建立镜面坐标系XmYmZm(如图1其中考虑了定日镜的面形误差及跟踪误差对聚光性(a)),Zm轴与镜面中心点法线方向重合,由镜面曲能的影响,编制了基于MATLAB的应用程
5、序,实现率及面形误差造成的镜面法线方向的偏转可表示了对聚光场焦斑及能流分布的动态模拟.[12]为1理论计算dN=(CXm+δnwx)im+(CYm+δnwy)jm(1)式中,C表示该点曲率,δnwx,δnwy表示面形误差引起在图1所示的右手直角坐标系中,dH表示定的法线偏移量,im,jm表示沿Xm,Ym轴方向的单位日镜与集热器的水平距离,θH表示定日镜的方位向量,Xm,Ym表示镜面点坐标.太阳光的半角展宽为ε/2=4.65mrad,入射到3国家863高技术研究与发展计划和中国科学院知识创新工镜面任一点的光线可视为顶角
6、为ε的光锥,如图2,程(2006AA050101,2006AA050102,2006AA05010501)资助Tel:0431286176893Email:wei.xiudong@yahoo.com.cn图中δn表示镜面法线的偏转,ε/2表示太阳的半角收稿日期:2007206220展宽.2280光子学报37卷cosλ+cosδRsinλ)(7)cosαt=-sinΔrxcosθH+sinΔrysinθHcosλ-22cos(Δrx+Δry)sinθHsinλcosβt=-sinΔrxsinθHcosδR-sinΔry
7、(cosθHcosδR22cosλ-sinδRsinλ)+cos(Δrx+Δry)·(cosθHcosδRsinλ+sinδRcosλ)cosγt=sinΔrxsinθHsinδR+sinΔry(cosθHsinδR·图2阳光在镜面子午截面内的光路22Fig.2Theillustrationofthepathsofraysinthecosλ+cosδRsinλ)-cos(Δrx+Δry)·tangentialsectionplaneoftheheliostat(cosθHsinδRsinλ-cosδRcosλ)(8)
8、以光锥的轴线方向为阳光入射方向,为了模拟太阳光穿透大气到达地球表面时,垂直入射方2太阳发散角对聚光场焦斑的影响,在光锥内均匀追向的平面上太阳辐照度(单位:W/m)可由下式求[13]迹n根光线,每根光线偏离轴线的角度表示为得δix=ρsuncosθsunsinαE=1367[1+0.033cos(2πn/365)](9)δiy=ρsunsinθs
