[發(fā)明專利]一種非成像碟式聚光器及其設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711304503.8
• 申請日: 2017-12-11
• 公開（公告）號: CN107894658B
• 公開（公告）日: 2019-12-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 顏健;彭佑多
• 申請（專利權(quán)）人: 湖南科技大學(xué)
• 主分類號: G02B19/00
• 分類號: G02B19/00
• 代理公司: 43108 湘潭市匯智專利事務(wù)所(普通合伙)
• 代理人: 顏昌偉

1.一種非成像碟式聚光器的設(shè)計方法，其中非成像碟式聚光器包括網(wǎng)架、反射鏡、立柱、雙軸跟蹤裝置、支撐桁架和控制裝置，所述雙軸跟蹤裝置安裝在立柱頂端，所述控制裝置與雙軸跟蹤裝置電連接，控制裝置計算太陽的實時位置并控制雙軸跟蹤裝置的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)聚光器實時跟蹤太陽位置；所述支撐桁架下端與雙軸跟蹤裝置連接，所述網(wǎng)架中心與支撐桁架下端固定連接，反射鏡安裝在網(wǎng)架上，所述反射鏡由多環(huán)反射鏡面組成，每環(huán)反射鏡面由多個沿圓周布置的鏡面單元構(gòu)成；每環(huán)反射鏡面的曲面方程均不相同；

各環(huán)反射鏡面的生成過程為：在二維平面內(nèi)，將理想拋物母線沿半徑方向劃分成K等分，即總共有K環(huán)反射鏡面，然后將各段拋物母線繞其一個端點旋轉(zhuǎn)一定角度，最后將各母線繞原來理想拋物曲線的焦軸旋轉(zhuǎn)一周形成一個非成像碟式聚光器的反射鏡；

設(shè)計方法包括以下步驟：

1)在理想拋物母線的頂點O位置建立全局坐標(biāo)系O-xyz，其中z軸指向拋物曲面的焦點F，設(shè)定理想拋物母線的焦距、理想拋物碟式聚光器的半徑、沿半徑方向等分的數(shù)量以及反射鏡的反射率；

2)設(shè)定腔體接收器的幾何參數(shù)和壁面反射或吸收參數(shù)，將腔體接收器安裝在原來的理想拋物碟式聚光器的焦點位置，即腔體接收器的接收窗平面位于原來的拋物碟式聚光器的焦平面位置；

3)將各段拋物母線繞其內(nèi)端點旋轉(zhuǎn)一定角度，建立新的非成像碟式聚光器的反射鏡曲面的空間方程；

新的非成像碟式聚光器的反射鏡曲面的空間方程為：

式中，A₁＝R_k-R_k·cosθ_k+(f-(R_k)²/4f)sinθ_k，A₂＝-R_ksinθ_k-(f-(R_k)²/4f)cosθ_k-(R_k)²/4f，

A₃＝sinθ_k(R_kcosθ_k-(-f-(R_k)²/4f)sinθ_k-R_k)-cosθ_k(R_ksinθ_k+(-f-(R_k)²/4f)cosθ_k+(R_k)²/4f)；

角θ_k是第k段拋物母線其內(nèi)端以軸線n_k＝[1,0,0]旋轉(zhuǎn)的角度值；R_k是第k環(huán)反射鏡面的內(nèi)半徑，R是理想拋物碟式聚光器的半徑；r_k是第k環(huán)反射鏡面的徑向長度，r_k＝(R-R₁)/K；R₁是聚光器中心位置沒有安裝反射鏡的區(qū)域；

4)建立各環(huán)反射鏡面在接收窗平面聚焦形成的聚焦光斑的半徑模型；

建立的半徑模型即第k環(huán)形鏡面聚焦形成的聚焦光斑的半徑，表達(dá)式為：

式中，

C₃＝-r_kcosθ_k-{((R_k+r_k)²-(R_k)²)sinθ_k+4fR_k}/4f，C₄＝-r_ksinθ_k+{((R_k+r_k)²-(R_k)²)cosθ_k+(R_k)²}/4f，

δ是太陽光錐的半頂角，δ＝4.65mrad；

5)基于步驟3)得到的空間方程和步驟4)得到的半徑模型，建立以腔體接收器內(nèi)部的吸熱器表面的目標(biāo)區(qū)域的能流均勻性為目標(biāo)，以各段拋物母線的旋轉(zhuǎn)角度為優(yōu)化變量的數(shù)學(xué)模型；

數(shù)學(xué)模型為：

Find X＝[θ₁,θ₂,...,θ_k,...,θ_K]

式中，X為決策變量矩陣，是由各段拋物母線的旋轉(zhuǎn)角組成；F(X)是目標(biāo)函數(shù)，即非均勻因子；N_t為吸熱器表面的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)離散網(wǎng)格的數(shù)量，目標(biāo)區(qū)域為z_F∈[h,H]，h是吸熱器表面的目標(biāo)區(qū)域的起始位置與接收窗的距離，H是腔體接收器的高度；z_F是建立在接收窗平面的坐標(biāo)系F-x_Fy_Fz_F的z軸坐標(biāo)方向，此坐標(biāo)系與全局坐標(biāo)系O-xyz平行，目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格被稱為目標(biāo)網(wǎng)格單元；C_i是目標(biāo)網(wǎng)格單元i的局部聚光比，C_i＝E_i/A_iW₀；E_i是目標(biāo)網(wǎng)格單元i接收的太陽輻射能，根據(jù)步驟3)確定的各環(huán)反射鏡面的曲面方程并采用光線跟蹤方法確定E_i；A_i是目標(biāo)網(wǎng)格單元i的表面積；W₀是太陽直射輻照強(qiáng)度值；C_average是目標(biāo)區(qū)域內(nèi)局部聚光比的平均值，在約束條件中，R_constraint是理想條件下聚焦光斑的限制半徑，根據(jù)步驟4)由在優(yōu)化前確定拋物母線k的旋轉(zhuǎn)角θ_k的取值區(qū)間，即θ_k∈[θ_{k_min},θ_{k_max}]，θ_{k_min}<0和θ_{k_max}>0，R_constraint<R_window；R_window是接收窗的半徑；

6)采用遺傳算法優(yōu)化步驟5)建立的數(shù)學(xué)模型，最終確定一個與腔體接收器匹配的非成像碟式聚光器的反射鏡的曲面形狀，使腔體接收器內(nèi)部的吸熱器表面獲得均勻的能流分布。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非成像碟式聚光器的設(shè)計方法，其特征在于：所述步驟1)中，拋物曲面方程為x²+y²＝4fz，理想拋物母線的焦距為f，理想拋物碟式聚光器的半徑為R，沿半徑方向等分的數(shù)量為K。