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基于凹面透镜优化的太阳能碟式/腔体接收器系统聚焦能流均匀化研究 [Early Posting]

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摘要

太阳能碟式聚光系统(简称碟式系统)中腔体接收器表面能流分布通常是强烈非均匀且高峰值,容易引起局部高温烧蚀和热应力破坏等问题,能流均匀化是解决上述问题的有效途径之一。本文利用光学凹形透镜中功能曲面对太阳光线传输的重新分配能力,提出在腔体接收器前端安装凹形石英窗(凹透镜)去改善其能流均匀性。基于此思路,建立了一种联合光线跟踪方法和遗传算法的优化设计方法去优化凹透镜的几何尺寸和安装位置,实现改善碟式系统的能流均匀性。四种典型的二次曲面和三种曲面布置方式组合的12种凹透镜作为算例被研究,详细分析了凹透镜改善碟式系统能流均匀性的有益效果和特点,并验证了本文方法的有效性。结果表明在碟式系统中增加优化的凹透镜不仅能显著的改善腔体接收器的能流均匀性和降低局部能流峰值,还能获得优异的光学效率和直接有用能率,改善效果由凹-平透镜、平-凹透镜、双凹透镜依次增强。优化的双圆锥透镜可将非均匀因子从0.59显著的减小到0.11,而光学效率和直接有用能率却与传统的带平面石英窗碟式系统的基本相当。总的来说,在碟式系统中腔体接收器的前端安装一个优化的凹透镜去改善其能流均匀性,具有很好的操作性和经济性,挖掘了石英窗在太阳能聚光集热利用领域的额外应用价值。

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补充资料

DOI:10.3788/aos202141.1022001

作者单位:

    湖南科技大学机电工程学院
    湖南科技大学机电工程学院
    湖南科技大学机电工程学院
    湖南科技大学机电工程学院
    湖南科技大学

引用该论文

颜健,聂笃忠,田勇,刘永祥,彭佑多. 基于凹面透镜优化的太阳能碟式/腔体接收器系统聚焦能流均匀化研究[J].光学学报,2021,41(10):1022001.