相同尺寸抛物/球面镜单元旋转阵列的碟式太阳能聚光器聚焦特性研究

提出一种相同尺寸曲面镜单元旋转阵列的新型碟式聚光器,包括抛物镜和球面镜阵列两种,具有制造简单、成本低和镜面单元间无遮挡可紧凑布置等优点。采用光线跟踪方法,以典型口径聚光器(宽度为D=10 m)为例,以聚光器的焦距f_(1)=R_(1)/2与其宽度D的比值f_(1)/D、抛物镜焦距f_(m)与旋转阵列半径R_(1)的比值f_(m)/R_(1)和球面镜半径R_(m)与R_(1)的比值R_(m)/R_(1)为无量纲参数,详细分析了镜面宽度d和上述无量纲参数对聚光器光学性能的影响,充分展示了新型聚光器在聚光光热(高聚光比需求)和聚光光伏领域(高能流均匀性需求)中的应用价值,并为其设计提供了依据。研究结果表明:新型碟式聚光器中平面接收器应位于z=f_(1)之下的合理位置处才能使聚焦光斑达到最小;采用抛物镜时聚焦光斑的拦截宽度在f_(m)/R_(1)=0.6处达到最小值,而采用球面镜时通常在R_(m)/R_(1)=1.0处达到最小。平均聚光比和峰值聚光比随聚光器几何参数的变化规律与拦截宽度相反:采用抛物镜时它们分别可高达2846.8和7107.0,对应的拦截宽度仅有88.3 mm;采用球面镜时二者分别可高达3000.0和7800.0,对应的拦截宽度只有87.5 mm,非常适用于高温聚光光热领域。聚光器取合理几何参数时总能获得能流分布非常均匀的正方形聚焦光斑,其平均聚光比可达420,非常适用于高倍聚光光伏领域。