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《焦點(diǎn)均勻分布式菲涅爾太陽能聚光器設(shè)計(jì)及性能分析》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。
1、中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)傳熱傳質(zhì)學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文編號(hào)：113016焦點(diǎn)均勻分布式菲涅爾太陽能聚光器設(shè)計(jì)及性能分析姚家偉1，羅小兵1,2（華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢，430074）(華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室MOEMS研究部，武漢，430074)Tel:13971460283Email:Luoxb@mail.hust.edu.cn摘要在聚光型太陽能熱電發(fā)電系統(tǒng)或光伏發(fā)電系統(tǒng)中，不均勻性的聚光光斑不僅影響系統(tǒng)效率，而且會(huì)損壞發(fā)電模塊。本文根據(jù)非成像光學(xué)原理，介紹了一種基于焦點(diǎn)均勻分布式的菲涅爾聚光器
2、的設(shè)計(jì)方法，并與傳統(tǒng)的共焦點(diǎn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，使用焦點(diǎn)均勻分布式設(shè)計(jì)方法可以有效改善聚光光斑的輻照度均勻度和能量透過率，有利于提高設(shè)備整體效率和可靠性。關(guān)鍵詞菲涅爾聚光器；焦點(diǎn)均勻分布；聚光光斑；光學(xué)仿真0前言太陽能是可再生能源中分布最廣泛、取用最方便、儲(chǔ)量最豐富的一種能源，如果能夠充分利用太陽能，可以大大緩解人類的能源危機(jī)。但是由于太陽能的能量密度小，一般將太陽能用于光伏發(fā)電或熱電發(fā)電時(shí)需要加裝太陽能聚光器。菲涅爾太陽能聚光器是目前廣泛應(yīng)用的一種太陽能聚光器，與傳統(tǒng)的聚光器相比，其結(jié)
3、構(gòu)更加簡(jiǎn)單、體積更加輕和薄，并且方便制造。菲涅爾透鏡由法國(guó)物理學(xué)家AugustinJeanFresnel在1822年首次提出。目前，菲涅爾透鏡作為一種太陽能聚光器越來越受到重視，國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)和個(gè)人從聚光器透鏡材料的光學(xué)性能、鏡面的棱型結(jié)構(gòu)和焦點(diǎn)的位置等角度對(duì)其進(jìn)行了研究。PabloBenitez等人[1]提出了一種基于菲涅爾聚光透鏡的高效光伏系統(tǒng)，其研究結(jié)果顯示：結(jié)合了自由曲面透鏡的菲涅爾太陽能聚光器有更加可靠、性能更加優(yōu)越以及更適合實(shí)際制造等優(yōu)點(diǎn)。Wagner等人[2,3]提出采用菲涅爾透鏡進(jìn)
4、行太陽光譜分離研究，預(yù)計(jì)可以設(shè)計(jì)出效率超過50%的聚光型光伏發(fā)電系統(tǒng)。M.Kusko等人[4]提出了一種基于刻蝕技術(shù)的菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)方法和制造技術(shù)，其研究結(jié)果表明：刻蝕技術(shù)可以制造出結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、性能更加優(yōu)越的菲涅爾聚光器。國(guó)內(nèi)對(duì)菲涅爾聚光器也有很多研究，郭孝武[5]對(duì)太陽能利用中的幾種菲涅爾透鏡進(jìn)行了對(duì)比分析，推導(dǎo)出了統(tǒng)一的設(shè)計(jì)公式。吳賀利等人[6]研究了幾種多焦點(diǎn)的菲涅爾透鏡，其研究結(jié)果表明：多焦點(diǎn)的菲涅爾聚光器可以實(shí)現(xiàn)比較均勻的聚光光斑。李望等人[7]研究了基于折射帶的分布式多焦點(diǎn)的菲涅爾聚光
5、器，其研究表明：該種聚光器相比于傳統(tǒng)共焦法設(shè)計(jì)的菲涅爾聚光器可以顯著改善聚光光斑的均勻度。本文基于菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)原理，介紹了一種焦點(diǎn)均勻分布的菲涅爾聚光器的設(shè)計(jì)理念，提出了改善聚光光斑輻照度均勻度的方法，提高了聚光型太陽能光伏或熱電發(fā)電系統(tǒng)的整體效率。1設(shè)計(jì)分析太陽能聚光器的性能主要由聚光比、能量透過率和聚光光斑的均勻度三個(gè)參數(shù)衡量。1.1聚光比聚光比為透鏡的采光面積與系統(tǒng)接收聚光光斑的面積之比，是太陽能聚光器設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮的參數(shù)。計(jì)算公式如下：（1）式中：C為聚光比；為透鏡的采光面積；為系統(tǒng)接收
6、聚光光斑的面積。1.2能量透過率作為聚光型太陽能發(fā)電系統(tǒng)中陽光入射后首先接觸到的部件，聚光器的能量透過率對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的效率有著很重要的影響。能量透過率是指系統(tǒng)接收面所接收到的聚光光斑能量與入射透鏡的陽光能量之比。影響能量透過率的主要因素有：透鏡材料對(duì)于光的吸收，透鏡表面對(duì)于光線的反射與散射，以及透鏡棱的非工作面干擾而造成的能量損失。菲涅爾透鏡的結(jié)構(gòu)如圖1所示，GL為棱寬，GH為棱高，為工作面傾角，為非工作面傾角，F(xiàn)為焦點(diǎn)。當(dāng)入射光線經(jīng)過工作面以后會(huì)聚集在透鏡的焦點(diǎn)F處，而經(jīng)過非工作后，光線的位置無法確
7、定會(huì)損失掉。設(shè)計(jì)時(shí)，將非工作面的傾角取為90度，就可以避免非工作面對(duì)于能量透過率的影響，但是這樣會(huì)增加了制造的成本和難度。工作面傾角對(duì)于能量透過率也有很大的影響，過大的角會(huì)使太陽光的入射工作面后的反射光增加、折射光減少，降低能量透過率，甚至產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，使透鏡失效?；趥鹘y(tǒng)共焦法設(shè)計(jì)的菲涅爾透鏡，常常存在邊緣楞的工作面傾角過大，太陽光入射透鏡之后反射光所占的比例較大，能量透過率較低。圖1菲涅爾聚光器局部結(jié)構(gòu)圖1.3聚光光斑的均勻度聚光光斑的均勻度是衡量太陽能聚光器性能的一個(gè)很重要的指標(biāo)，但是目前大部
8、分根據(jù)非成像理論設(shè)計(jì)的聚光器都不能達(dá)到均勻度很好的聚光光斑。不均勻的聚光光斑會(huì)對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的性能產(chǎn)生很大的影響：在聚光型光伏發(fā)電系統(tǒng)中，聚光光斑的不均勻性會(huì)加重光伏電池模組內(nèi)的串聯(lián)電阻的焦耳能量損失效應(yīng)，降低光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率，并且局部光斑能量過高會(huì)損壞光伏電池模組；在聚光型熱電發(fā)電系統(tǒng)中，聚光光斑的不均勻性會(huì)造成熱端板的溫度不均勻，使整體擴(kuò)散熱阻增加，影響系統(tǒng)整體效率，并且局部的高溫也會(huì)損壞熱電模塊。因此，提高聚光光斑的均勻度很重要。根據(jù)非成像光學(xué)，
