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《焦點(diǎn)均勻分布式菲涅爾太陽(yáng)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(xiàn)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(yáng)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(yáng)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(guò)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(yáng)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(yáng)能，可以大大緩解人類(lèi)的能源危機(jī)。但是由于太陽(yáng)能的能量密度小，一般將太陽(yáng)能用于光伏發(fā)電或熱電發(fā)電時(shí)需要加裝太陽(yáng)能聚光器。菲涅爾太陽(yáng)能聚光器是目前廣泛應(yīng)用的一種太陽(yáng)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(yáng)能聚光器越來(lái)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(yáng)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(yáng)光譜分離研究，預(yù)計(jì)可以設(shè)計(jì)出效率超過(guò)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能聚光器的性能主要由聚光比、能量透過(guò)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(yáng)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(guò)率作為聚光型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中陽(yáng)光入射后首先接觸到的部件，聚光器的能量透過(guò)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(guò)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(yáng)光能量之比。影響能量透過(guò)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(xiàn)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(xiàn)經(jīng)過(guò)工作面以后會(huì)聚集在透鏡的焦點(diǎn)F處，而經(jīng)過(guò)非工作后，光線(xiàn)的位置無(wú)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(guò)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(guò)率也有很大的影響，過(guò)大的角會(huì)使太陽(yáng)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(guò)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(guò)大，太陽(yáng)光入射透鏡之后反射光所占的比例較大，能量透過(guò)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(yáng)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(guò)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)，
