旋转抛物面误差对聚光性能的影响

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1、万方数据第30卷第4期2009年4月太阳能学报ACI．A口Ⅲ￡RCL^EsIm^RIs鲫ICAV01．30，No．4Apr．，2009旋转抛物面误差对聚光性能的影响成珂1，韩迪2(1．西北工业大学空调制冷与太阳能应用研究所，西安710072；2．西北工业技术研究院，西安710075)摘要：采用蒙特卡洛法，建立了太阳光分布、抛物面误差及反射的概率模型，跟踪光线行程，研究了误差对抛物面焦平面上聚光性能影响。研究表明，误差会显著改变焦平面上的聚光比分布和大小，影响旋转抛物面的聚光性能。总体而言，随着最大误差角度增大，旋转抛物面的最

2、大聚光比和总聚光比减小，热点和最远进光的r／R增大。只是在最大误差较小的范围内，最大聚光比基本相等，热点的rlR则会小于理想旋转抛物面。因此，为了对接收器进行合理的设计和性能预测，需要认真分析旋转抛物面误差对聚光性能的影响，并尽可能提高抛物面的制作精度。关键词：旋转抛物面；聚光性能；太阳能中国分类号：TK515文献标识码：AO引言旋转抛物面构成的聚光器是盘式太阳能热发电系统的核心部件之一，通过反射聚集入射阳光，在接收器上加热工质，驱动发电机组发电[1’2]。一方面，利用旋转抛物面反射聚集，提高辐射能流密度，是一种太阳能中高温

3、热利用的重要方法；另一方面，接收器一般置于抛物面的焦点位置，焦平面上聚集能流的分布和大小直接影响其设计和性能[3’4】。因此，国内外许多学者对该类聚光方法进行了相关研究。主要从两方面开展，一方面是通过建立理想旋转抛物面模型，研究焦平面的能量分布【5_7]。其中，文献[7]的研究利用分布系数描述焦平面上的能流分布，对规则化的精确抛物型碟式聚焦系统进行了理论分析。另一方面是关于太阳形状、聚集器外形和跟踪精度等因素对聚光性能的影响研究【8邛】。其中文献[121采用蒙特卡洛法，比较了不同定向跟踪精度下，不同口径比的反射聚集器在太阳光

4、与平行光下的聚集性能差别。以上研究均基于理想旋转抛物面，是抛物线绕主光轴旋转一周形成的，其上任何一点都与母线的对应点相吻合。而旋转抛物面反射镜在实际制作中，不可避免出现误差。因此，在以上研究的基础上，本文采用蒙特卡洛法，建立太阳光分布、抛物面误差及反射模型，跟踪光线行程，研究了误差对焦平面上聚光比的影响。1旋转抛物面模型旋转抛物面模型如图1所示，其数学方程为：茗2+y2=2pz(1)研究时，入射太阳光被认为是各方向辐射照度相同并具有艿=16’锥角的非平行直射光，不考虑其它因素的影响。此外，假设盘式聚光系统对日定向跟踪误差为0

5、0，即入射太阳光中心方向始终与抛物面主光轴平行。反射方式只考虑抛物面的镜面反射，不考虑漫反射。因此，理想情况下，入射太阳光在与旋转抛物面交点处的切面作镜面反射，然后汇聚于焦点附近，图中以实线表示。交点处，理想旋转焦平面图1旋转抛物面模型Fk．1Model0f印inllillgparaboloidal收稿日期：2(I)7-10-11通讯作者：成珂(1973一)，男，博士、讲师，主要从事太阳能应用、人机环境、能源领域方面的研究。chengke-ra叩u@aehu．cam阳光万方数据太阳能学报30卷抛物面的切面单位法向量为：1：一

6、——：：：：三!：：一以2+Y2+P2m=一7于南(2)一一乃帝心’，l=一卫以‘两当有制造误差时，入射太阳光则会在交点处的实际切面进行反射，图中以虚线表示。假定实际切面单位法向量为(Z7，m7，厅7)，同理想切面单位法向量的夹角p作为抛物面误差的考核度量，其值为：啷p=Z·Z7+m·m7+n·n7(3)聚光性能采用聚光比C考核，即焦平面某处的聚集能流密度与垂直于入射方向平面上的直射太阳光能流密度之比。聚光比分布是影响能流密度分布的重要因素之一，光斑中太阳光能流密度最大的位置一般是聚光比最大的位置。这里总聚光比c。代表开口面

7、积与焦平面太阳汇聚总面积的比值，对于理想旋转抛物面，采用(4)式计算(14m】：c^：梨(4)Ⅵ一sin2(2艿)”7式中，口．——抛物面最远端反射光同主光轴的夹角，当0^=450产生最大总聚光比11540。理论上，只要开121半径R相等，虽然不同P值形成不同形状的旋转抛物面，但聚光后的总能量是一样的。但由于太阳光锥角、抛物面误差和跟踪误差的影响，不同形状的抛物面在焦平面会形成不同的光斑。因此，定义无量纲的口径比，利用开口半径冠与焦点高度日的比值，作为考核旋转抛物面的形状参数，为：AR=2R／H=4R／p．(5)同时，采用以

8、焦点为中心的半径r与开口R的无量纲比值，作为考核尺寸分析聚光比的分布位置。为了对光斑进行分析，定义反射光在焦平面距焦点中心最远的位置为最远进光，当接收器焦平面入口口径大于此时，理论上可接受全部反射光。以最大聚光比90％范围内的光斑作为热点，其无量纲尺寸r／R反映了光斑中高聚光比位置的几何分