用于太阳光泵浦光纤激光聚光系统的改进型复合抛物面聚光器的设计

为研制适用于太阳光泵浦光纤激光器的聚光系统,在分析了传统复合抛物面聚光器(CPC)用于耦合光纤的可行性及其缺陷的基础上,提出了一种改进型CPC用于光纤耦合。完成了由主级抛物面反射镜和次级改进型CPC组成的太阳光泵浦多级聚光方案,并与普通CPC和透镜组构成次级聚光器的方案以及无次级聚光器的方案进行了对比。光线追迹仿真模拟结果表明:改进型CPC能够克服普通CPC出射光线发散的缺陷,从而提高与光纤的耦合效率,当主镜接收角度在±0.55°范围内,其耦合效率维持在93.53%-96.43%,该结果优于其他方案。

硅包覆碳点基柔性发光太阳能聚光器的制备与性能研究

碳点由于环境友好、经济适用、合成方法简单及光学性能优异而在发光太阳能聚光器领域受到越来越多的关注。然而,碳点与亲水性聚合物波导材料相容作为发光基质时,多数碳点在聚合物中的相容性差,以及亲水聚合物的易脆性等问题严重限制发光太阳能聚光器的实际应用。为了解决这些问题,本文利用3-氨丙基三乙氧基硅烷的水解缩合,与邻苯二甲酸、邻苯二胺共同合成了一种斯托克斯位移为150 nm、量子产率为10.94%,且具有良好分散性和相容性的亮黄色发射硅包覆碳点;同时,以具有良好相容性、高柔韧性的聚二甲基硅氧烷为波导材料,二者结合制备出一系列尺寸为3 cm×3 cm×0.1 cm,不同质量百分比的硅包覆碳点柔性发光太阳能聚光器,其中,性能最佳的太阳能聚光器能量转换效率可达1.05%。这项工作将硅包覆碳点与聚二甲基硅氧烷的优势相结合,对发光太阳能聚光器实际应用有潜在价值。

双焦点微型聚光器安装于建筑外墙的光学性能分析

建筑外墙安装的微型聚光器在高层建筑太阳能利用技术中具有巨大的应用潜力。结合太阳辐射资源和聚光器光学效率,提出了计算加权平均光学效率的数学模型,并基于该模型,研究了双焦点微型聚光器在不同安装方式下的光学性能。对4个城市全年加权平均光学效率的计算结果显示:双焦点微型聚光器安装于建筑外墙时,夏季效率最低,冬季效率最高;安装地纬度对不同安装方式下聚光器的光学性能有较大影响。此外,基于光学模拟结果,分析了安装于聚光器端部的反射膜对余弦损失的抑制作用。

折射率对碳点基发光太阳能聚光器光电性能的影响

发光太阳能聚光器作为一种新型的实现低成本电力的潜在光伏技术已经引起了广泛的关注。选择合适的荧光基质和性能优异的光波导介质成为该技术得以推广应用的关键。目前,多数研究者把目光聚焦在荧光基质光学性能的提高上,对光波导介质性能的优化却鲜有报道。本文使用邻苯二甲酸和邻苯二胺两种前驱体,一步微波法快速高效地合成了一种晶态碳点。鉴于该碳点具有绿色荧光,荧光量子产率超过80%,并且吸收和发射光谱间存在较大的斯托克斯位移,适合作为新型太阳能聚光器用荧光基质。另外,采用预聚体法制备了高透明的聚氨酯膜,并作为发光太阳能聚光器用光波导介质研究了其光学性能。通过引入硫元素,该薄膜的折射率从1.483提高到1.547,这直接导致利用所制备的碳点作为荧光基质封装的聚氨酯薄膜型发光太阳能聚光器器件的光电转换效率提升了41%。该结果不仅证实了聚氨酯作为光波导介质的可行性,更为通过改良光波导介质的折射率来提高光传输的研究方法提供了实验依据。

不同瞄准策略的线性菲涅耳式聚光器光学性能

吸热管表面能流密度分布的均匀性对线性菲涅耳式聚光器的光热性能及安全运行有着重要影响。基于Tonatiuh光学仿真软件构建了线性菲涅耳式聚光器模型,研究了圆柱面形反射镜焦距及瞄准点位置与光斑宽度之间的关系,在此基础上探讨了不同瞄准策略下线性菲涅耳式聚光器的光学效率及能流分布的均匀性。结果表明:采用瞄准点均匀分布的瞄准策略,聚光器在保持较高光学效率的同时能够提升集热管表面能流分布的均匀性。采用优化后的瞄准策略,线性菲涅耳式聚光器光学效率可达到87.4%,集热管表面能流密度标准差由45.3%降低到30.7%,集热管顶部能流密度提升了10.2%。集热管空管预热采用该优化瞄准策略,在变占空比跟踪模式下,集热管弯曲变形程度远小于现有瞄准策略。该结果可为线性菲涅耳式聚光集热系统的优化设计提供理论支撑。

基于AZO的光谱选择性反射膜制备及其在聚光器中的应用研究

铝掺杂氧化锌(AZO)薄膜在红外波段具有高反射率的特性。设计了SiO_(2)/AZO/Al_(2)O_(3)/Glass/SiO_(2)光谱选择性反射膜。通过软件仿真和实验研究,探究了SiO_(2)、AZO、Al_(2)O_(3)薄膜的光学常数以及物理厚度对SiO_(2)/AZO/Al_(2)O_(3)/Glass/SiO_(2)薄膜光谱特性的影响,确定了光谱选择性反射薄膜的制备工艺参数。根据工艺制得了对可见光平均透射率接近90%、红外(2.5~20μm)平均反射率大于85%的光谱选择性反射膜,薄膜的辐射率为0.08~0.12。以表面镀有光谱选择性反射膜的玻璃作为线性菲涅尔式聚光系统中的二次聚光器窗口,设计了新型二次聚光器。光谱选择性反射玻璃有效阻挡了集热管的热辐射,使聚光器辐射热损失降低约66%。

基于偏折法的碟式聚光器抛物镜面法向误差快速检测方法

为实现碟式聚光器抛物镜面的法向误差快速检测,针对单目偏折法缺少深度信息的不足,拟构建一种迭代拟合算法,通过拟合计算得到二次曲面系数,修正镜面坐标系与相机坐标系之间的转换误差,实现对称碟式聚光器抛物镜面的快速定位与法向误差计算。搭建实验平台,进行5次不同位姿的抛物镜面测量实验,获得被测抛物镜面单元的实际法线方向数据,与镜面设计面形的标准法线方向相比,其平均误差为7.3591 mrad;5次测量的抛物镜面法向误差结果相近,其整体标准差为5.0278 mrad;与镜面面形基准数据相比较,验证了该方法测得的法向误差低于20 mrad。实验结果表明该方法可行,且具有快速性和稳定性。

两种聚光器联合驱动的鼓泡加湿除湿型太阳能海水淡化系统实验研究

设计一个由太阳能空气集热器和曲面菲涅尔透镜联合驱动的鼓泡加湿除湿型太阳能海水淡化系统,介绍该系统的结构和运行原理,对多曲面聚光器的聚光特性进行光学仿真分析,对装置各部件的能量进行平衡计算,测试系统在实际天气条件下的产水性能,给出太阳辐照度、装置运行温度和产水效率随时间的变化关系。当太阳辐照度平均为795 W/m2时,该装置集热管出口温度最高为64.8℃,产水量约为9.48 kg/d,整体系统热效率为43.5%。

基于全内反射平面聚光器的光纤照明系统设计

近年来,利用自然光进行照明已经受到了越来越多的关注。为了获得更高的光学效率,设计了一种基于全内反射太阳能聚光器的光纤照明系统,给出了抛物面聚光器的具体设计过程。利用仿真软件建立了聚光器、导光板和光线发散器等模型,分析了聚光器不同结构对其光学性能的影响。通过多次仿真得出,几何聚光比约为70时,聚光系统的光学效率约为93.89%,当几何聚光比分别为500、1000和1500时聚光器的接收角为±0.41°、±0.32°和±0.23°,照明系统在室内工作面的照度均匀性为0.3,系统总效率达到60.19%。设计在节能减排方面发挥重要作用,为缓解能源危机提供了有效的解决方案。

建筑整合式双焦点微型聚光器的设计与性能分析

设计了一种建筑整合式双焦点微型聚光器。光学模拟结果显示,在双焦点无交错式镜场布局下,聚光器的光学效率最高,外墙安装和屋顶安装的光学效率分别为62.5%和63.6%。集热性能测试结果显示,聚光器凭借追踪阳光和散热面积小的优势,相比平板集热器具有更高的集热效率。聚光器安装在屋顶时的日均集热效率为24.3%,安装在外墙时为22.0%,均比平板集热器高10%以上。在满足冬季用水温度的条件下,所设计的聚光器安装在外墙或屋顶时的集热效率均优于平板集热器。

基于大涡模拟的平屋顶槽式聚光器组风压分布研究

通过大涡模拟对屋顶槽式聚光器组的风压分布规律展开研究,并将数值模拟结果和风洞试验结果进行对比,验证了大涡模拟结果的准确性.对9个平屋顶聚光器组成的镜群在0°仰角工况下的风压分布进行模拟,得到平屋顶聚光器组在不同风向角下的最不利位置及其风压系数的分布规律.结果表明,正风向下,屋顶靠近来流风上游的一排聚光镜承受了绝大部分的风荷载,中间及后排的聚光镜风压系数为前排的8.75%;斜风向下,后排聚光镜的最大风压系数为前排聚光镜的17.6%;屋顶的角落位置为聚光器组的最不利位置,所得结论可为平屋顶槽式聚光器的群组结构抗风设计提供理论依据.

平屋顶槽式聚光器风压分布及形成机理

通过Ansys Workbench平台,建立了屋顶槽式聚光器数值模拟计算模型,对平屋顶上槽式聚光器的风压分布进行了大涡模拟。并将模拟得到的结果与风洞试验进行对比,验证了大涡模拟结果的准确性。研究了顺风向和斜风向角下槽式聚光器镜面的风压分布规律,以及屋顶槽式聚光器风荷载的形成机理,同时对不同仰角和不同女儿墙高度进行对比分析。结果表明,顺风向工况下聚光器镜面风压主要受屋顶柱状涡所控制,斜风向工况下镜面的风压主要由受聚光器周围的局部旋涡所造成;聚光器镜面的风压系数随仰角的增大而减小;屋顶女儿墙高度的增加会一定程度上减小槽式聚光器镜面的风压系数,顺风向下受女儿墙高度变化比斜风向情况下更明显。所得结论可以为平屋顶槽式聚光器的结构抗风研究提供理论依据。

一种可用于太阳能抽运光纤激光器的聚光器

为了研究抛物面碟形聚光器实现太阳能直接抽运光纤激光器,根据空间太阳光谱分布特点,采用数值方法,计算了用该聚光器聚集太阳能量抽运双包层光纤激光器时光纤吸收的太阳能量及其吸收效率。计算结果表明,通过采用内包层数值孔径较大、掺杂适当稀土元素的双包层光纤及减小太阳光传输过程中的损耗等措施提高光纤激光器对太阳能的吸收效率,可以实现太阳能直接抽运光纤激光器。通过光纤集束熔锥侧面耦合器构成多模光纤阵列或者聚光器阵列的结构,可进一步提高太阳能抽运功率。

圆锥面太阳聚光器的理论研究与设计

对聚光器为圆锥面、接收器为圆柱面的太阳能集热器的性能进行了研究.导出了单锥面聚光器的聚光比和跟踪精度的计算公式,给出了接收器上的照射长度以及接收器表面聚光比分布的数学表达式,并对聚光比、跟踪精度、材料利用率等方面进行了详细的分析,结果表明从聚光比、材料利用率及跟踪精度等方面来考虑,45°是单锥面聚光器的最佳半顶角.分析了单锥面集热器存在的采光面积与聚光比和接收器长度之间的矛盾,进而提出了多锥面组合聚光器;多锥面组合聚光器能在接收器长度一定的情况下增加采光面积、提高聚光比,克服了单锥面聚光器的矛盾,并且具有设计上的灵活性.

全息光伏打聚光器的设计

本文描述了一种采用全息反射元件的分段谱光伏打聚光器,系统的转换效率可高于26％。分析了聚光器的特性并给出了全息元件的设计参数和制作方法。

蝶式光伏发电聚光器的研制

通过跟踪聚光的方法,增加太阳光伏电池板的光照强度,使得同样数量的光伏电池板产生更多电能,并大幅度降低光伏发电系统的成本。介绍了一种自动跟踪太阳的蝶式光伏发电聚光器及其聚光参数优化过程,在保证聚光器的机械强度时得到了最佳聚光比。

一种新型太阳能聚光器的研制

介绍了新型太阳能聚光器的设计原理，分析了设计中的三个问题，提出了最佳设计值。

免跟踪透射式太阳聚光器的设计

针对目前太阳聚光器中因为自动跟踪系统故障率高导致使用成本大幅度增加的主要制约因素,在多年来探讨有效提高太阳能密度的基础上,提出了免跟踪线性菲涅尔透射式太阳聚光器设计的新思路,并对其结构形式和工作原理进行了阐述.

应用于聚光光伏模组的全反射式二次聚光器的设计与性能分析

当前聚光光伏系统存在很多问题,比如跟踪器的跟踪精度偏低、聚焦光斑强度分布不均匀、聚焦光斑的形状跟太阳电池不匹配等,二次聚光器可以解决这些问题,从而提高高倍聚光光伏系统的光电转换效率。对高倍聚光光伏系统中的菲涅耳透镜和二次聚光器的聚光原理进行了简要分析,重点对全反射式二次聚光器进行了二维聚光的理论分析,并配合非成像光学的光线追迹方法,设计并加工了应用于某高倍聚光光伏系统的全反射式二次聚光器。对该二次聚光器的主要性能进行了仿真分析及评价,结果表明:该聚光器能提高高倍聚光光伏系统的整体性能。

漏斗式二级复合抛物面太阳能聚光器的优化设计

构造了一种由二级复合抛物面(CPC)叠置组成的漏斗式太阳能聚光器,对其性能进行了讨论。为改善第二级CPC的最大聚光角,重点对其进行了变尺寸设计,理论导出了各参数间的关系,给出了最优参数范围。指出,在合理配置第二级CPC各设计参数的条件下,其最大聚光角可达30°～35°,有效地增加了整体光漏斗的导光率和最大聚光角。在实际天气条件下,对一个实际二级复合抛物面太阳能聚光器进行了实验测试,给出了不同入射角条件下系统的导光性能曲线,对实验结果进行了讨论,指出了改进方向。