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菲涅尔太阳能聚光器研究


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武汉理工大学 硕士学位论文 菲涅尔太阳能聚光器研究 姓名:吴贺利 申请学位级别:硕士 专业:机械电子工程 指导教师:李鹏 20100401
武汉理T大学硕.卜学位论文
摘要

r /> 太阳能清洁无污染、储量巨大、可持续利用,是重要的可再生能源。由于太 阳能存在能流密度低、间歇性以及空间分布不均匀等缺点,因此提高太阳能发电 系统的效率,降低发电成本仍是目前太阳能应用中面临的主要问题。太阳能聚光 光伏发电技术,利用光学聚光组件提高入射到太阳能电池表面的光能量密度,可 以减少系统中昂贵太阳能电池的使用,并可大幅度提高系统整体转换效率,是降 低发电成本提高发电效率的有效途径,而太阳能聚光器是聚光光伏发电系统的重 要组件之一,对其进行系统研究具有重要的应用价值。 论文首先研究了菲涅耳太阳能聚光器(菲涅尔透镜)的设计方法,给出了统 一设计公式的简略推导过程,获得了菲涅尔透镜的通用设计公式;根据菲涅尔透 镜的结构特点,分析了菲涅尔聚光器的光学损失机理和影响太阳能聚光器光学效 率的因素;采用Pro/E三维参数化建模技术与Tracepro光学软件,对不同采集 面上菲涅尔聚光器的光斑能量分布进行了光学仿真,研究表明通常设计的菲涅尔 透镜均存在光斑能量分布不均匀,影响太阳能聚光电池发电效率的问题;针对浚 问题,论文提出了通过设计多焦点透镜结构和采用二次光学镜两种实现焦斑能量 分布均匀化的方法,并通过光学仿真对两种方案能量均化程度和相对于发电系统 的容差定性进行了对比分析,比较了各自的优缺点。 为了评定聚光系统的设计方案以及仿真分析的准确性,论文对聚光系统光学 效率测试方法进行了实验研究,分析了初步的实验数据,结果表明论文中提出的 方案设计是可行性的。
关键词:
菲涅尔,光学仿真,高倍聚焦,焦斑均化
武汉理工人学顶.}学位论文
Abstract
Solar energy is clean and pollution—free,sustainable
use
and
the
advantages
of
large reserves,but the
adverse
current
energy crisis
as
well as traditional because
energy
its
sources
impact
on
the
environment,solar energy
race
of
superior
characteristics of

national
to study and explore the hot-spot.Similarly,solar
power exists shortcomings
as
low flux density,the spatial distribution of intermittent
changes are not uniform and uncertainty etc,SO it’S
essential
to
improve solar power
system low efficiency and reduce the cost of application of solar power generation. Solar High Concentrator Photovoltaic(HCPV)is
to
reduce
the
cost
of electricity
on
generation
electricity
to
improve power generation efficiency is an effective way.Focus
in high-power solar
generation condenser
concentrator
to play a pivotal role.In
the
papers,
the history of Fresnel lens,discusses the application of solar
energy
Fresnel concentrator,and presence Fresnel
condenser Was experimentally according
solar
compared
to
and found shortcomings which buy from market.Paper support
project
requirements,used
in
high
power focused
to
make
focusing
concentrator solar
is

cells achieve higher
efficiency and
application of solar cell surface
square,SO it needed to be
condenser focal
spot for the
energy
distribution evenly. method,
Paper first studies the Fresnel solar
concentrator(Fresnel lens)design
uniform design is given
universal Fresnel

brief derivation of the formula obtained Fresnel
structure of Fresnel
lens
of
design
formula;according to the
optical loss
lens characteristics
of a
concentrator
mechanism and impact
of solar
concentrator optical
efficiency factor;using Proe 3D parametric modeling software with Tracepro optics,
Fresnel condensing
on
the
surface
of
different
acquisition
The beam in the
energy
of the solar
distribution device optical simulation study shows that Fresnel lens spot
uneven
often exist
the
design
energy
distribution,affecting
efficiency of
concentrators
battery power problems;for the problem,the paper
proposes the
structure through
the design and multi—focal lens second optical lens with two focal
to
spot energy distribution
achieve uniformity of
are
approach,and
by
the optical
simulation of the two schemes
the degree of energy and power generation systems
to compare their respective
compared
to the
tolerance were compared qualitatively
advantages and disadvantages. Condenser system
optical
to aSSeSS the design
and simulation accurac%thesis condensor
efficiency
testing conducted experimental study,preliminary
II
analysis
of the
武汉理工人学硕Jj学位论文
experimental data reveal paper proposed program design is feasible.
Key words:Fresnel Lens,Optical simulation,HCPV,Homogenization
111
武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书
独创性声明
本人声明,所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。
研究生(签名):
日期,≥oIn◆叫
学位论文使用授权书
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研究生(签名):
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武汉理工大学硕:卜学位论文
第1章绪论
1.1课题研究的背景和意义
近年来,全球气温持续变暖、石油价格飙升且已濒临枯竭、环境恶化天灾 四起,能源资源短缺严重制约人类社会发展,这已经成为人类社会不可回避的
问题。许多国家出于自身战略考虑都将目光投向清洁无污染的新能源:核能、 风能、地热能、生物能、太阳能以及潮汐能等等。在哥本哈根全球气候大会的 背景下,中国也提出了节能减排的目标。发展环境友好性社会,提倡节能减排、 绿色环保,建立资源节约型社会,大力发展可再生能源和新能源,且已置于我 国经济发展的战略地位【l】。 为满足人类社会可持续发展以及人类对能源日益增长的需要,防止和石油 天然气等传统化石能源对自然和人居环境造成的严重污染和尘态破坏,必须走 可持续发展的能源道路,即是利用好可再生能源。我国由于地缘辽阔,可再生 能源分布广泛,资源丰富,因而只要做到因地制宜、就地就近地开发可再生能 源,将是调整能源结构、保护环境、增强能源安全、实现可持续发展的战略选 择。 很显然太阳能是可再生能源中分布最广泛,几乎遍布于全球的每一个角 落,取用最方便,储量最丰富,可谓是取之不尽用之不竭。一旦它能够被充分 的有效的利用,将会极大地缓解人类的能源危机,故而太阳能在未来能源结 构中将占有重要的地位。 太阳能利用是可以将太阳能转化为其它形式的能源,它具有广阔的应用前 景。其主要利用方式分为光热利用、光化学利用、光生物利用以及太阳能发电。
太阳能发电一般是通过两种途径实现:一是利用光生伏打效应将太阳能直接转
化为电能的光一电转换。其基本装置是太阳能电池,其中有平板光电池发电、
高效的聚焦发电以及薄膜电池。二是利用太阳辐射所产生的热能发电的光一热 一电转换【2】。一般是利用太阳集热器将所吸收的热能驱动工质的蒸汽运动,然
后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电[3,41。 但是,太阳能同样也具有能流密度小,光照过程不连续,使太阳能的利
用有着间歇性、光照方向和强度随时问不断变化的问题,从而对太阳能的收 集和利用提出了更高的要求。因此必须改善现有技术、降低装置成本,提高利 用效率是太阳能利用中亟待解决的关键问题。太阳能的收集方法很多,有热收 集、光电收集或光化收集等装置;收集器的主要功能是将太阳辐射能转变为可
武汉理工人学硕上学位论文
用的能形式。本文主要研究的是聚焦发电太阳能高倍收集器,即太阳能聚光器。 太阳能聚光器是将太阳光通过透镜或者其它的方式聚集起来增加能流密度 以提高太阳能电池发电效率的一种现有技术。而它将配合太阳跟踪技术以及高 效的聚光电池为高倍聚焦发电提供了可能,这样就大大节约了成本,提高了太
阳能利用率[5,6,71。太阳能聚光器按其聚光的方式分可以分为透射式聚光器和反
射式聚光器,而这两种聚光器又在各自的领域有着不同的应用,目前应用于高 倍聚焦太阳能发电的聚光器一般为透射式聚光器,在透射式聚光器中又以菲涅
尔聚光器应用最为广泛,这也是本文要重点研究的对射8,91。
1.2菲涅尔聚光器的国内外研究现状
菲涅尔透镜是由法国物理学家Augustin
Jean
Fresnel在1822年所发明的一种
透镜【1…,与传统的球面或非球面透镜相比,菲涅尔透镜采用多个同轴排列或平 行排列的棱镜序列组成不连续曲面取代了一般透镜的连续球面,因此,菲涅尔透
镜结构简单,便于制造,在重量和体积上比一般透镜更轻、更薄,在设计上可以
获得更大的孔径与焦距比。虽然菲涅尔透镜最初主要是为灯塔探照灯而设计,但 目前菲涅尔透镜在投影仪、大屏幕背投电视、便携放大镜、太阳能热水器、太阳 能电站以及空间飞行器的太阳能帆板等众多领域获得了广泛的应用。。
1.2.1菲涅尔聚光器的分类
国内外,对菲涅尔聚光器研究非常多,菲涅尔透镜的发展也越来越复杂,应
用功能各异,各种分类都不尽相同:有透射型的,有反射型的;有平板行的,有
弧型的;有单焦点,有多焦点的等不一而足。在这旱根据菲涅尔聚光镜空间形状 分为平板状,弧形和其它类型。平板型又分为曲折面为入射面,光面为入射面和 全反射楞型;弧型分为拱形和球冠状;其它类型为利用菲涅尔聚光镜原理而制造
出来的复杂的菲涅尔聚光器,存在形式多种多样,就目前有两种或两种以上楞型
结合,多焦点等。

武口艘【^学硕l‘学位论丈
其具体分类如图1-1。

",。:,i



r。。●1.
F慧
图卜l菲涅尔聚光器分类
1.2.2国内外研究状况
太阳能非涅尔聚光器由于其质量轻、结构紧凑、透光率高而广泛应用于太阳 能发电系统。其构造方法为:使用山多个同轴排列或平行排列的棱镜所形成的一 序列不连续曲面替代凸透镜或凹透镜的曲面,减小透镜厚度,从而节约了材料和 器件的安装空间。它是太刚能发电系统的聚焦光发电和热发电的重要器件。由于 有机玻璃菲涅尔透镜比玻璃透镜可以设讨的更大、更轻、更方便、成本更低.目 前菲涅尔透镜作为一种太阳能聚光器的应用也越来越受重视…I。 菲涅尔集光器几乎占有光学收集器件中半壁江山。国内外许多研究机构 和个人从不同角度对其进行了研究。从研究范围束看,对菲涅尔透镜的研究 涵盖了材料本身的光学性能、镜面的楞型结构、焦斑的位置火小尺寸以及焦 斑的能量分布等多个方面Il“。早在70年代美国NASA就对太阳菲涅尔聚光器的 没计方法,透过率计算做了详尽的概述,为以后菲涅尔聚光器的研究给予以指导 作用【lM;成立于1986年的美国菲涅尔透镜科技公司,较早就从事菲涅尔透镜的
武汉堙丁大学颇L学位论Z
设计和光学应用,并在其领域颇有建树【lq:1991年陵西省物理研究所郭孝武 给出了综合性的菲涅尔统一设计方法,给予了后来研究者以指导性作用,之 后陆续有众多学者对菲涅尔透镜的&计性能以及效率计算提出各种具有建设 性创新¨":2007年清华大学赵彤新的Archimedes螺线式菲涅尔透镜的设计及加
上方法,简化传统聚光器加工工艺㈣;2008年哈尔滨工业大学刘颖系统地论
述了太阳能聚光器能流密度分布理论Il“。可见在现在太阳能应用蓬勃的今天, 菲湟尔聚光器的研究仍然是一重大课题。 美国Amonix公司已采用菲涅尔透镜建造了聚光比达500倍的聚光光伏发电 系统Il…,晟近Wagner等提出采用菲涅尔透镜进行太阳光谱分离的研究预计可以 设计出效率超过50%的聚光光伏旋电系统【19却】。2008年IBM公司利用菲涅尔透镜 进行聚光然后将其投射到太阳能电池板上,借此增大太阳光的强度,从而增加太 阳能电池的发电量。通过这种方法,成助的将230瓦的A阳能转化成了70瓦的屯 力,转化效率约为传统太阳能系统的5倍。
Amonix公司的太刚聚光系统
2008年第十届中国光伏会议暨展览会上上簿华达运新能源科技公司展览的 太阳能500倍聚焦发电系统。如图l一3。

图I-2太阳能聚光系统
式 ■鲈
IBM公司的太阿¨能聚光系统
圈I.3太阳能聚焦发电系统
武汉理工人学硕士学位论文
1.3论文研究的主要内容及论文安排
首先从弧面基面菲涅尔聚光器的结构设计出发,给出统一设计公式的简略
推导过程,获得能够适应弧形基面和平基面形状的菲涅尔聚光器、楞面朝外或
者朝内的透镜、以及点聚焦和线聚焦等不同类型的菲涅尔聚光器的结构设计菲 涅尔聚光器的一般设计公;在此基础上,提出了菲涅尔聚光器的光学效率的计 算方法,并对目前常用的不同结构菲涅尔聚光器的光学效率进行了分析和比较, 对其适用性和优缺点作了定性的评价。 其次建立完善的菲涅尔聚光器的完整光学仿真模型,实现对菲涅尔聚光器 聚光过程的模拟,得出理论的可行方案,为实际生产过程提供优化的工艺参数,
提高菲涅尔透镜的生产质量。论文亟待解决的两个关键问题是:一是菲涅尔透
镜的聚光过程存在反射以及色散,故存在能量损失、光斑弥散和光斑处能量分 布不均匀,而焦点处的能量的均匀度直接影响太阳能电池的效率。二是处理太 阳能焦斑能量均匀化问题得从基本的菲涅尔透镜设计原理出发,从理论上推导 出合适的设计公式以及优化方案。 针对菲涅尔透镜的结构设计,可以通过三个步骤:一是根据基本公式和基 本原理以及自己设计要求来进行公式的推导,得出自己的参数公式;二是在一 定的数据分析之上,优化自己的设计参数,并且在Pro/E中建立模型;三是将
建立的模型导入到TracePro中进行光学分析,进一步确定设计出的菲涅尔透镜
的性能以及参数。如果性能和参数符合设计要求即可联系制造商付之制造。 整个基本流程如图14所示。 ………………一……一…。~’‘、 l,,…i\
.’
|/㈠}\Fresnel聚光器设计;
l●■■-■-■■●
i一
O朔p协tio从n圣酏墟璺0套、;基本原理:| 理论公式的推导■l。争?曼哩二’
一r扳Fr—esn剖聚兜器、

……~—■X……………



l l!F耪re镜sn嘶el麓差需譬寒荔禾霪篓{;{;:篇雾髭:i憩裂的
…………√|
事:}和宴聱窑簟
;Option 2:
其它类裂Fr嘲科擐毙器_一

蒜毗器?t一公型卜登分坠一j ;一._ {F投对透过譬的影响


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Pro/E建模。川卜蒜÷茹荔兹二夫小

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舣粼醴}l公代涟整泼i{参投.建
鞭兢曝篓饕域的效警翅墼
嚣褰。刺㈣m滩|聚咒器以笛; ;,圻。
Option 3.
卜翻造:”鼍
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{./, :TracePro分折优化!一
\敏宋.邶“J您{.1:},搦:。
太刚光谱後拟l
臻斑能辘分析j
图1.4菲涅尔聚光器结构设计流程图
止汉WT太}Ⅳ,J。学位论立
第2章菲涅尔聚光器设计方法研究
从菲涅尔聚光器的光学原理出发,通过对不同菲涅尔透镜设计方法的研究。 推导出了菲谭尔透镜的楞高度角以及楞岛的计算方法,并给出了菲涅尔透镜的一 般设计公式。壤后对通过泼设ir公式下设汁出的菲涅尔透镜,进行算例的设计结
果分析与讨论。
2.1菲涅尔聚光器的光学原理
1882年法国物理学家Augustin JeanFresnel提出一个假设:连续光学表面的成 像特性,主要取决于光学表面的曲率,而透镜轴向厚度是对成像影响较小,在大 多数情况下,透镜厚度的增加是由于表面曲率或7L径的要求所造成的,故即使把 透镜两个表面之问的厚度'减少不改变其曲率,光学元件仍可把光线聚焦到原来的 厚透镜焦点上,如罔2一l。并利用其原理制造了应用于各个不同的领域.效果斐
然。
依据菲涅耳理论,实现了球面透镜向平面透镜的发展。如图2-2可以将球面 透镜视作由若干非连续分体所构成,将中M分体『llJ多余部分挖掉,且同样能够保 持其原有的曲率不变,这样它们对光线的偏转
不产生影响。然后将分割的各个剩余部分拉直
放平重新排列在与丰光轴重直的共同基而上, 这样光学元件仍可以保持其聚焦特性。这就架 构成新型的光学兀件一菲涅耳透镜r凶依托菲
涅耳原理而得名)。通常,人们习惯J:俗称它为
螺纹透镜(园其外观而得名)。显见,螺纹透镜是 凸透镜的一种异化,电咧样具有凸透镜的光学 特性:会聚光线和成像。
“◇ 兮叁孓一
图2.1
菲涅尔透镜
图2—2菲涅尔透镜衔化原理图
武汉理工大学硕1:学位论文
如图传统光学曲面透镜是连续的曲面,然而起到作用的仅仅是其曲率,故而 只有曲面才能起到会聚光线和成像的作用,也就是图中可只保留突起部分,其它 可以除去。同样经过进一步简化发展,可以将有效的突起曲面延伸拉直放平,从
而形成菲涅尔透镜。
随着光学的发展,菲涅尔透镜有了越来越多的光学应用。作为一种太阳能聚 光镜,菲涅尔透镜由于其便于制造,节省材料,节约空间,聚焦比大,聚光效率 高,适应能力更强,因而作为空间聚光太阳电池阵的应用,提高太阳能系统的效 率,故而它是比较受到欢迎的。 现在存在许多不同的菲涅尔透镜设计方法,它们各有千秋,平板设计方法【2l】 具有相当的优越性,在实际应用中也发挥了重大作用,但是它存在不能对弧形菲 涅尔透镜进行设计的缺点。基于此,综合各类型菲涅尔透镜的设计方法进行多方 面的对比分析研究【221,总结出一套通行的菲涅尔透镜的设计公式,能够同时对 弧形状和平板状菲涅尔透镜进行统一设计,适用于设计各类型的点聚焦和线聚焦 的菲涅尔透镜。
2.2菲涅尔透镜一般设计方法 2.2.1楞高度角计算方法
图2.3为弧形基面菲涅尔透镜光线聚集的原理示意图,设一点光源处在光轴
F点,它的光束从光轴F点出发,经过介质到达透镜折射聚焦于透镜的另一侧F7。 而一束光线通过透镜的第f楞折射,经过彳,折射至B,然后折射于聚焦点∥。
图2.4为图2.3中的第f楞尖劈透镜元横截面的局部放大图,由图2.4可见,一束光
线通过透镜的第f楞经过了两个光学界面的折射,即经过彳折射至B,然后折射 于聚焦点F’。设D和∥分别为弧形基面横切面的圆心和横切面的中心。

武汉理T大学硕l:学位论文
图2.3菲涅尔透镜原理图 根据光的折射定律:
图2-4第f楞局部图
一sina‘i:塑:丑:Ⅳ(2-1) sin《sill岛
N2
其中,ⅣI为标准大气压下的空气折射率,即取M=l,M为透镜材料的折
射率。q,《,∥,屈分别为透镜两侧的入射角和折射角;“,为入射光与光
轴FF’的夹角,“;为折射光与光轴FT"’的央角,通常称其为第i楞尖劈透镜元的
入射光偏向角;/和厂’分别为F和,’到光轴O’点的距离;R为菲涅尔透镜的 圆弧曲率半径,,为球冠的外廓半径。根据几何关系可有瞑=以+乱=叫+层,
其中只为第i楞尖劈透镜元的楞高度角,鼠=形’,则:
q=坼+B
(2—2)
屏=乱+彬7一群 饿=9v+堪
色=形’
由式2-2,2-3得: (2—4) (2-5)
sin∥:—sin(u,—+W//)


。。s吖:业{≥盟


(2-7)
、 。
武汉理工人学硕七学位论文
将2.4和2-5代入2-1中有:
丽sinfl/=端=Ⅳ
sin屈
sin(乱+彬7一《)
展开有:
sinO.,cos“一cos乱sin彬=NsinO,cos(彬’一《)+Ⅳcose sin(彬’一《)
则:
协乱=等OSU鬻COS

;一Ⅳ
I∥:。一例I
(2—8)
将2-6,2-7代入2-8中
tan眈=
sin彬7?
--COS’sin(uf+W,.J)-sinu; 一sin彬’sin(ui+彬,)
cosu;一COS形’?
鼠,=arctan/竺。!t坚二2辈’2竖兰竖竺竺t坚‘竺型!‘坐p I cos“卜cos形7?√Ⅳ2-sin2(吩+彬I)-sinW/’sin(uf+形J)

则:
,.
2=彬’+arctan
,. 。. L
S—C

m一∞ 彬一,吩

cosW.?sin(ui+W/9-sinu: cosW,.’?4N2一sin2 Ui+彬J)-sin’sin(uj『+彬’
(2-9)
式2-9即为菲涅尔透镜的一般设计公式,根据该公式可以计算出使光轴上 任意点光源聚光到特定成像面的第f楞透镜元楞高度角。
2.2.2楞高计算方法
以光线恰好通过第f的中心作为入射光的计算点,设定每一楞宽度为,,入 射光到出射光的在光轴方向上的高度为k,t为高度上对应的横向距离,如图。

武汉理t大学硕L学位论文
图2.5第i楞局部尺寸图 如图易得:
Ⅲt姐cOr-a,')=ktan(Or一一arcsin(1zi)]

CO S
c2邶,
(2-11) (2-12) (2—13)

Yl
S .H l
,一2,一2

Y2=(h+t)tanO.
由2.12和2.13有:
k=Yl+Y2=兰sing+(圭c。s够+t)t锄乱(Z-14)
将2.10和2.11代入2.14中解有:
则:
拈习一sinOr+2cosOr乱
lO
武汉理T大学硕士学位论文
扣卟圭
OS

~C一。t一‘n(%+Wi J!)-sinu[


cos彬’?√Ⅳ2-sin2(“,+形)一sin形,Sin(嵋+形’
S—C一卜一
(2—15) 式2.15即为楞高度计算公式,一般地由于其尺寸较小,为方便计算可忽略, 但是如果透镜本身尺寸也很小时,就必须代入计算。
锄parcsin( 蒹一
一.m一¨一
嘭一,㈣一, .一,
缸一{3I彬一
sinWt’?√Ⅳ2-sin2(Hf+形)--COS’sin(uf+Wig-sinu"
2.2.3菲涅尔透镜的一般设计公式
根据图2-3,可以得出:
吩刺n(丢)
(2—16)
其中:R:厂+厨一
则有:
%=删an㈥
(2—17)
铲arctan( .{七濂j一孓i
(2-18)
班…(而南
叫=删an(焉]
(2-19)
其中:rt’=ri—f
Rl=厢一k
(2—20) (2—21)
Ⅲtan(8r-a,‘)-"k tan卜1arcsinr(口,)]
将2.16、2.18、2.20和2.21代入2-9中有:
只=撒s缸(蚤]+arct柚
武汉理工大学硕一I:学位论文
一般地由于厂7远远大于k,故k可忽略不计。但是,如果/’尺寸较小, 值对楞型参数影响较大时,可以通过迭代法求出菲涅尔透镜的楞参数。

很显然在上面公式可以看出给定不同的条件,可以对菲涅尔透镜进行设计。 下面为特定状况下菲涅尔透镜设计公式。 平行光从光面入射,f=00,%=0。,则式2-9变为:
谚:竹删锄f型塑竺垫里竺擘型丝型1
‘ ‘
I cosu;-sin2彬7-cosT’?√Ⅳ2-sin2形7 J
平行光从曲折面入射,厂’=00,U;’=0。,则式2-9变为: 最=W/+arctan

I一型型擎竺坠竺塑型丝±竺L 1(2-22)

1-cosWf’?√Ⅳ2-sin2(Ui+彬J)-sin’sin(u,+形’J
如果当尺趋近于无限大是, 公式为:
W/?无限趋近零,此时为平板菲涅尔透镜。其
式2.23与郭孝武等提出的设计公式【15】是一致的。 平面楞型朝内,平行光从光面入射,f=00,%=0。,则式2-23变为:
恤ctan(希%
谚=删an(LⅣs—in∞us;“0.
(2-23)
(2-24)
平面楞型朝外,平行光从曲折面入射,厂’=00,“,’=0。,则式2—23变为:
只…文南]
(2—25)
2.3算例结果与分析
以等环距平面楞型朝内的菲涅尔透镜为例,对透镜的楞高度角以及楞高进
行分析:透镜设计参数如下: 折射率,l=1.49,F数(即焦距,和口径D的比值)为1.3,半径为100ram,焦距 为260ram,环距为lmm。
根据公式2.15和2—24进行代入计算,可以得出每一环的楞高以及楞高度角
如图2.6所示。
12
武汉理丁大学硕}学位论文
图2.6楞高以及楞高度角变化趋势 由图所见,由于楞高和楞高度角为坏的同一性质参数,在透镜等环距的情况 下,其变化曲线趋势同为随着环半径的逐渐增大而增大,即是透镜环深度随着环 半径增大而增大。这表示的是单一透镜的环的变化趋势。 图2.7给出了正入射时弧形基面楞面朝内(下称球面楞型朝内)、平基面楞 面朝外(下称平面楞型朝外)以及平基面楞面朝内(下称平面楞型朝内)透镜的
楞高度角谚与偏向角“;的关系。
以咒=1.49,F数(即焦距厂和口径D的比值)为1.3,球面透镜形状为球冠, H/R=O.112作为主要的设计参数。
40
30
\ 鼷20 髭

罄lo

偏秘播“i’/。
图2-7不同形状菲涅尔透镜楞高度角谚与偏向角彬的关系
武汉理工人学硕:}二学位论文
由图2.7可以看出,随偏向角增大,透镜元楞高度角叼逐渐增大;在偏向角 小于80时,即在透镜的中心附近,不同形状的透镜元楞高度角基本相同,而偏向 角增大接近透镜的边缘时,不同形状的透镜元楞高度角出现明显差异,其中平面 朝外透镜的楞高度角最大,而平面朝内透镜的楞高度角最小。由于偏向角与透镜 的F数有关,F越小,偏向角越大,楞高度角谚也越大【23】。这个充分显示了楞高 度角在不同透镜的变化趋势。
14
武汉理工火学顾一l:学位论文
第3章
菲涅尔聚光器的光学效率
作为太阳能聚光透镜,菲涅尔透镜的光学效率是一个非常重要的评价指标, 透镜的光学效率可以定义为透镜中透射光的总能量与入射到透镜上的光能量之 比。而透镜光学聚光器光学效率与透镜的光学损失密切相关。 导致菲涅尔透镜光学损失的原因很多,图3.1为光学损失原因分析示意图, 从图可以看出,光学损失大致可以分为反射损失、吸收损失、工艺性损失以及 结构损失,其中工艺性损失是由于考虑到透镜成型对理想透镜轮廓进行修改而
导致部分光线发散引起的光学损失,比如脱模锥度、圆角等。如图3.1(b)所
示,它可以通过精密加工技术减小;结构损失是由于菲涅尔透镜采用棱镜元组 成的不连续曲面取代一般透镜的连续球面而导致部分光线发散引起的光学损 失,例如,对于平面朝外的菲涅尔透镜,由于楞高会遮挡部分折射光线,使得 从第二楞开始就出现部分透射光发散;对于平面朝内的菲涅尔透镜,当F数小 于某临界值时,出射界面上入射角大于其全反射角,使透射光不能到达设定的 焦斑范围内而损失,如图3.1(a)所示。反射损失和结构损失则主要与透镜的 形状、设计要求有关,不同形状的透镜,上述各光学损失大小不尽相同,因此其 光学效率不同。据上分析整个光路光学损失不但存在透镜的损失,而且光线在 空气传递中也存在损失,电池的接受面也存在损失,在这里不做深入的研究。
(a)
(b)
(c)
图3.1
能量损失示意图
(a)平面朝内(b)平面朝外(c)弧形基面
3.1菲涅尔透镜反射损失以及吸收损失
光在介质界面上的反射和折射特性与光的电矢量振动方向密切相关,根据
平面光波的横波特性可以将电矢量分解为垂直于入射面振动分量即S分量和平 行于入射面振动分量即P分量。则任意光波照射到菲涅尔透镜第f楞的能量【24】
可以表示为:
武汉理工大学硕七学位论文
件i。wts+谛|P
根据菲涅尔反射公式,s分量和P分量的反射率分别为:
K=群焉 如=群高
其中0。,吼分别为入射角和折射角。
由于此处主要研究将菲涅尔透镜用于阳光聚焦,而阳光属于自然光即完全
非偏振光,则%=砟。根据菲涅尔反射公式,其反射率R【25】为:
R=婶(si叫n2(q01+-0参z+丽tan2(Or-a2)]
协1,
其中口。,幺分别为入射角和折射角,当入射角f91=。时,R=(等)2。
由于不同形状透镜的结构不同,在入射界面和出射界面上的太阳光的入射 角也各不相同,图3-2、3-3分别给出了正入射时弧形基面、平面朝外以及平面 朝内透镜的入射界面和出射界面上太阳光的入射角0。与偏向角“;的关系,入 射角计算条件与楞高度角计算条件相同。
40
30
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偏向角
(/。)
图3—2入射界面上太阳光入射角与偏向角”;的关系
16
武汉理工大学硕:}:学位论文
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5 0 0 2 4 6 8 10 12 14

18
20
偏向角
(/。)
图3.3出射界面上太阳光入射角与偏向角U!的关系
由图3-2可见,平面朝内透镜入射界面上太阳光的入射角最小,为00,而弧
形基面入射角最大,且都随着偏向角增大而增大,说明入射界面上平面朝内透镜 阳光反射损失最小,弧形基面最大,透镜由中心到边缘的光反射损失逐渐增大; 由图3.3可以发现不同形状透镜在出射界面上太阳光的入射角与入射界面上的入 射角正好相反。但随偏向角的变化相同,因此太阳光在透镜上的反射损失随透镜 的偏向角增大(或F数减小)而增大。 由于太阳光是由波长在280nm~4000nm范围内的光波组成,而不同波长光的 折射率不同,因此,在透镜中同一楞透镜元上,不同波长光的反射率和材料吸收 率也各不相同。根据太阳光谱,假设第.7波段光在菲涅尔透镜的第i楞入射界面
上的反射率为黾,出射界面上的反射率为黾,吸收率为以,由图2中可以看
出,从入射界面到出射界面的光程为Gr,入射界面上的入射角为口,,折射角为
口;,出射界面上的入射角为屈,折射角为∥,则第.,波段光在透镜第f楞上的透
过率Z,为:
乃二(1一心)?(卜氏)?(I-X。)%
其中:
(3—2)
峨1?(朝+粼] 驴一1(端-4?而tan2(,B两‘-fl")2 )
~2
I sin2(局+∥)t觚2(肛+∥)J
菲涅尔透镜总的光学效率为各楞透镜元不同波长太阳光透过的能量总和与
入射到透镜表面能量之比f26】:
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武汉理T大学硕上学位论文
r=紫
s;为第i楞透镜元的面积。假设入射光的能量密度为,,则
Wi=I?sl
(3-3)
式中,形为第i楞透镜元上入射光的能量,霉为第i楞透镜元上入射光的透过率,
(3.4)
将3.4代入3-3,有:
丁=鬻
3.2菲涅尔透镜结构性损失以及加工工艺损失
元中导致光线发散的面积为S’;, 式3.4修正为:
(3.5)
由于实际的菲涅尔透镜存在工艺性和结构导致的光学损失,因此光学效率分
析时,需要对每楞透镜元实际透光面积进行修正,根据以上分析,假设每楞透镜
彬=,?I墨一s,l
则菲涅尔透镜光学效率公式应为:
丁:巡掣
圆角半径为‘。
(3-6)
在这里对平面楞型朝外和平面楞型朝内做一些简要的分析。首先据图3.1可 以知道拔模角和圆角等工艺行损失是影响透镜效率的重大因素。设拔模角为万,
伴‘
图3-4拔模角和圆角局部原理图
武汉理t大学硕士学位论文
由图3.5易知:
去=tancr?Ar--x)
由3.7有:
X=~ x:—tana.ta—ng.Ar
an
t)7—3( 6

(一.5-8) 6,

l+tan口?tan万
由拔模角在透镜上的宽度投影可以较容易的推算出拔模角对透镜效率的影 响,圆角则适用同样的原理。 其损失公式为:
疋:壁(3-9)


其中:足为楞半径,S,为拔模角所占透镜面积 由于平面楞型朝外和平面楞型朝内设计和安装方式不同,其工艺性损失影响 也不尽相同。根据公式分别给出圆角和拔模角对透镜损失影响曲线。 从图3.5、3-6、3-7、3-8从都可以看出,透镜的效率随着f数的较小而急剧 降低,而平面楞型朝内的透镜f数存在一个极限小值。
f教
儇 图3-6考虑平面楞型朝内圆角影响透 镜透过率曲线
图3—5考虑平面楞型朝内拔模角影响 透镜透过率曲线
图3.5和3-6分别为考虑平面楞型朝内的拔模角以及圆角影响透镜透过率曲 线。可以从曲线中看出,随着拔模角和圆角半径的增大,透镜的效率也相应的减
小,这是由于拔模角和圆角直接减小了光源面的有效面积。
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f数
图3-7考虑平面楞型朝外拔模角影透 镜透过率响曲线
图3-8考虑平面楞型朝外圆角影响透 镜透过率曲线
图3.7.和3.8分别为考虑平面楞型朝外的拔模角以及圆角影响透镜透过率曲 线。图3.7中拔模角不同的三条曲线几乎重合,说明透镜本身的棱镜元干涉大于 拔模角影响,才会出现拔模角变化而透镜效率变化不大的现象;图3.8中圆角半 径的增大直接影响透镜的效率,但在f数较小时,影响较弱。
3.3不同结构菲涅尔聚光透镜光学效率的比较
根据上述公式,对弧形基面、平面朝外以及平面朝内三种不同结构的菲涅尔
透镜的光学效率分别进行了计算(未考虑材料吸收),为了分析透镜的通光口径
和焦距大小对透镜的光学效率的影响,这里采用F数(即焦距厂和1:3径D的比值) 作为变量来分析,分析时采用的材料为PMMA(有机玻璃),其折射率取为1.49, 三种菲涅尔透镜的透过率同F数之间的关系如图7所示。
苦o-

\0.
爵o.

焖0.


0?Z
0-4
0-6
0?8

1?2
1?4
F数

图3.10
f数和透过率的关系曲线
从图3.10可以看出:不同类型的菲涅尔透镜的透过率随着F数增大而增大, 并且趋近于PMMA材料极限透过率92.4%。当F数大于0.8时,平面朝内的透 镜光学效率最高;反之,弧形基面的透镜光学效率最高,而平面朝外的透镜介于
二者之间,这是由于透过率是由透镜入射界面上和出射界面上反射率综合决定 的,反射率与入射角有关,由图3.3、3.4可以看出,平面朝内的透镜在入射界
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面上太阳光的入射角最小,而在偏向角较小即f数较大时,虽然平面朝内的透镜
最大,但相对弧形基面透镜入射界面上的入射角要小,因此当f数很大时,平面 朝内的透镜光学效率最高;反之亦然。由图3.10还可看出,楞面朝内透镜当f
数小于0.453时,光线则会出现全反射而不能到达设计焦点,因此该类型透镜存 在极限f数。 由以上分析可知,从光学效率的大小评价,弧形基面透镜适合尺寸较大而焦 距较小(f数较小)的透镜,而对尺寸较小而焦距较大的透镜(f数较大)的透 镜应选择平面朝内结构的透镜。 综合光学效率、加工难易程度、安装、结构光学损失、适应范围等因素,对
上述三种结构透镜的优缺点进行对比,归纳如表3.1所示。
表3.1 三种菲涅尔透镜的优缺点对比
2l
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第4章聚光焦斑能量分布
由于菲涅耳透镜材料的折射率随太阳光波长的不同而变化,故而不同波长的 太阳光经过菲涅耳透镜聚光后焦点的位置各不相同,因而在透镜光轴不同位置的 聚光电池上就会形成不同的能量分布,由于焦斑的能量分布与聚光电池转换电能 的效率密切相关,因此需要对菲涅耳太阳能聚光器的焦斑能量分布规律进行研 究,本章根据太阳光光谱能量分布特点和聚光器材料的折射率变化规律,首先从
原理上推导了聚光焦斑的大小数学表达式,然后采用Pro/E参数化建模以及
Tracepro光学软件对菲涅耳太阳能聚光器的焦斑能量分布进行了仿真。
4.1太阳光谱及聚光器件材料模拟 4.1.1太阳光谱模拟
太阳光是由于太阳发生热核聚变反应所产生的强烈光辐射,是地球上的生物 赖以生存的能源,保证了整个世界的姹紫嫣红丰富多彩。太阳光光谱包含了主要 包含三部分:红外线、可见光、紫外线,其光谱范围在300nm~3000nm;靠近红
光的光所含热能比例较大,紫外所含热能比例小。
表4—1
波长增量 中心波长
兄;
0.374 0。416 O.44l 0.460 0.480 0.500 0.520 0.540 0.560 0.585 0.6 1 5 0.645 —0.675 0.709 0.753 0.804 0.857 0.953 1.024 1.129 1.274 1.642
NASA太阳光谱与材料参数【z7】
比重因子
功, 0.0267 0.0275 0.0244 0.029 1 0.0320 0.0327 0.0323 0.0322 0.03 1 9 0.0473 0.0473 0.0475 0.0456 0.0537 0.059 1 0.0562 0.0623 0.0606 0.0565 0.062l 0.0649 0.068l
《△川1.
0.295.0.40 0.40.0.43 O.43.O.45 0.45.0.47 0.47.0.49 0.49.O.51 O.51.O.S3 O.53.0.55 O.55一O.S7 O.57-O.60 0.60—0.63 0.63一O.66 0.66-0.69 0.69.0.73 O.73.0.78 O.78.O.83 O.83.0.89 0.89.0.99 0.99-1.06 1.06-1.2l 1.21.1.s2 1.52—2.2
丙烯酸塑料透射因子 l Z 1. 1.5250(估算)0.962
以,
丙烯酸塑料折射率
1.5155 1.501 8 1.4999 1.4982 1.4968 1.4954 1.4942 1.4930 1.49 l 8 1.4906 1.4895
l l l l l l l l 1 l l l l l 1 l l l 0.948
1.4886
1.4876 1.4865 1.4854 1.4845 1.4832 1.4826 1.4818
1.4812(估算)0.912 1.4808(估算)0.570
ⅡC捉理T^学埘0学位论文
根据NASA太阳数据对太阳能波谱进行数据模拟,由于提供数据较少,所 以根据插值法可以求出更多的光谱比重,使得太阳光谱模拟更趋准确,
膻长
-nm)
图4.1太阳辐射波谱㈣
模拟太阳光数掘曲线和实际太阳光数据曲线对比:
** 日2*


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l【r/
夕“Ⅷ%*
7“州飞
|厂
U《一、
波长(加)
图4-2模拟太阳波谱
4.1.2聚光器件材料性能模拟
制造菲涅尔透镜有多种材料,但是其中Acrylic材料由于其优异的强韧性和 良好的透光性,应用领域广泛,早期替代飞机的挡风玻璃和坦克的祝野镜,现代 抗H晒南淋,使用寿命长,多用于户外招牌,以及光学仪器。由于聚光器件多为 户外运行,工作环境相对恶劣,PMMA材料最为Acrylic材料中的一员.它是一 种开发较早的重要热塑性塑料,具有较好的透明性、化学稳定性和耐候性,易染 色,易加工,外观优美,广泛应用于航空、汽车、电于、医疗、化工、建材,卫
浴以及广告标牌等行业得到。
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在这里由于PMMA加工简单,化学性能稳定以及对各类型波长透过率高达 92%,故其作为一种太阳能非成像聚光透镜材料具有较大优势。从图4.3可以看
见聚丙烯酸、聚碳酸酯和刚化乙烯基标准厚度(1.5mm)下的的透射率都大于 80%。聚红外⑧材料在标准厚度下,平均透光率从40%至90%不等。聚红外 ⑧材料的巨大差距在范围表明,存在强烈的红外吸收。图4.4是试样厚度3.2111111 一般用途的聚丙烯酸和两种透射紫外线用途的丙烯酸的透射率曲线。
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图4-3各种材料对光谱透过范吲29】
波长‘Im)
图4.4聚丙烯材料透过率【30】
武汉理丁大学硕l:学位论文
由于光学材料BK7应用较为广泛,这里将和PMMA材料作出相应的对比。 肖特公司给出PMMA材料以及BK7相对于波长1.55I,tm的折射率分别为为
1.480436和1.500194,其色散公式为:
n2=0Lo+0tl九2+IX2九12+0【3九.4+Gt4九_6+a5九。8
其中:刀为折射率 名为波长 口。值PMMA为2.1 8645820E+00,BK7为1.03825703E+00 口.值PMMA为.2.44753480E.04,BI(7为6.00069867E一03 口,值PMMA为1.41557870E.02,BK7为2.31745598E.01 C/',值PMMA为-4.432978 IOE.04,BK7为2.00179144E.02 口。值PMMA为7.76642590E.05, BK7为1.009 1 4545E+00
口。值PMMA为.2.99363820E一06,BK7为1.03560653E+02 可以根据上列公式计算出太阳光各波长相对于光学材料PMMA和BK7的折 射率。
图4.5
BK7和PMMA材料相对于不同波长的折射率
4.2菲涅尔透镜单环能量分布特点 4.2.1单环单色光焦斑大小计算
设y。、Y:、和y。分别为像面的不同位置;R1.为环内圈半径,R州为环外圈
半径,R。抽为透过环内圈位置的光线在像面上形成的光圈半径,Rb洲为透过环外
圈位置的光线在像面上形成的光圈半径;虼为环内圈位置的光线在光轴上的焦 点,儿。,为环外圈位置的光线在光轴上的焦点,圩为环最小光斑位置;R:为环
发生内外圈像面光圈发生转换的环面半径。如图3.16:
图4-6菲涅尔透镜元成像光斑大小 像面处在不同的位置其光斑大小以及能量分布也将随之变化。 当像面处在J,。位置,即位于内圈焦点上方:
纽:&
如:监
,ou:
Rom


得出:%。等(厶一M) 得出:民埘2等(厶咱)
当像面处在y:位置,即位于内圈焦点下方,内外圈光线交汇点上方:
必:篮
厶 吃 Z讲
弛耻舡训
得出:Rbout厶Ro埘ut",‘m一乃)
左丝二丝:鳖
兄埘
丝一旦
Z叫 兄w
得出:足=Rout?粤
.,o甜
当像面处在y,位置,即位于外圈焦点上方,内外圈光线交汇点下方:
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‘丝子盘:譬 屯
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且:一R- ‰:R:出得 f3Y_Ro埘 .
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当像面处在y,位置,即位于外圈焦AT方:
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D6nIi。=deltr一圭
(4—1)
TY4--four=等
巫:旦血
厶 2‘吃
(4-2)
吩:厶+—f拥.(Ideltir
4.2.2单环焦斑大小计算
ta—nuh)
如图3.7,单束太阳光经过透镜由于各波长色光在同一种材料中的折射率不
同,则会在像平面上形成分离色散,这也是著名的牛顿棱镜分光原理。在这里设
少为像面位置,gin为环内圈半径,R。。,为环外圈半径,R胁为透过环内圈位置的 光线在像面上形成的光圈半径,R㈨为透过环外圈位置的光线在像面上形成的光
圈半径;
f。为环内圈位置折射率最大的光线在光轴上的焦点,乙为环外圈位
置折射率最小的光线在光轴上的焦点。尺为弧形球面的球面半径,,.为中心轴半
径;彬:和形.,分别为内圈偏向角和外圈偏向角。
据图可知:
27
武汉理丁^学删l学位皓立
血:!!丝二厶二!!!:竺!匿



‰=业坐譬坐螋
k:丘二!二丝!!二!:!!!监

则:

,:鱼i垒二!二竺!!二!’竺鉴』 洲
工。 叫以根据图4-7中类推可知,透 镜的最后一环环高度角最大,光程屉 短,折射角度最大,因而色散程度也
就越大。一般可认为摄后一环的光斑 大小可以类比为透镜的光斑大小,如 果存在特剧情 ̄兄的话,可以计算出光

L}赵一∥yo八虬
陶4-7 Fresnel透镜元色散原理图
轴k任一位置每一环的光斑大小然
后求出浚位置光斑大小,这样可以钌
举出透镜的最小光斑…。
4.2.3菲涅尔透镜最小光斑计算
,和t分别为太|;[I光中最短波长和最长波K透过最后’_叼=棱镜在光轴上的 黑距:
则易得: ‘力最小光斑半径,Yr为最小光跹位置;,为中心轴半径a
t=帮
一=错
以通光面积为230ramx230mm环距为lmm的不同焦距菲涅尔透镜为例,光
斑大小随着焦距增大而减小,而聚光比则相反。如图4—8所示
武汉理工人学硕士学位论文
焦距(霸) 图4-8菲涅尔透镜最小光斑及聚光比随焦距变化规律
(透镜尺寸:230mmx230mm,环距lmm)
4.3
Pro/E参数化建模以及Tracepro光学仿真 Pro/E参数化建模
4.3.1
1985年,PTC公司成立于美国波士顿,开始参数化建模软件的研究。1988
年,V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。经过lO余年的发展,Pro/ENGINEER已经
成为三维建模软件的领头羊【32】。PTC的系列软件包括了在工业设计和机械设计 等方面的多项功能,还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管 理等等。Pro/ENGINEER还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开 发环境。 Pro/ENGINEER主要特性有: 全相关性:Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开 发过程中某一处进行的修改,能够扩展到整个设计中,同时自动更新所有的工程 文档,包括装配体、设计图纸,以及制造数据。 基于特征的参数化造型:Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何 模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象,并且可以按预先设置很容易 的进行修改。通过给这些特征设置参数(不但包括几何尺寸,还包括非几何属性), 然后修改参数很容易的进行多次设计叠代,实现产品开发。
29
武汉理工人学硕:}学位论文
数据管理:允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发,能在较短的时 间内开发更多的产品,加速投放市场。数据管理模块的开发研制,正是专门用于 管理并行工程中同时进行的各项工作,由于使用了Pro/ENGINEER独特的全相
关性功能,因而使之成为可能。 装配管理:Pro/ENGINEER的基本结构能够使您利用一些直观的命令,例如 “啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来,同时保持设计意图。高级 的功能支持大型复杂装配体的构造和管理,这些装配体中零件的数量不受限制。 易于使用:菜单以直观的方式联级出现,提供了逻辑选项和预先选取的最普 通选项,同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助,这种形式使得容易学
习和使用。
4.3.2
Tracepro光学仿真
TracePro是一套普遍用于照明系统、光学分析、辐射度分析及光度分析的光 线模拟软件【331。它是第一套以ACIS solid modeling kernel为基本的光学光线追迹 软件。它结合真实固体模型、强大光学分析功能、资料转换能力强及易上手的使 用介面的模拟软体。应用领域包括:照明、导光管、背光模组、薄膜光学、光机 设计、投影系统、杂散光、雷射邦浦;常建立的模型:照明系统、灯具及固定照 明、汽车照明系统(前头灯、尾灯、内部及仪表照明)、望远镜、照相机系统、 红外线成像系统、遥感系统、光谱仪、导光管、积光球、投影系统、背光板。 TracePro作为下一代偏离光线分析软件,需要对光线进行有效和准确地分 析。为了达到这些目标,TracePro具备以下这些功能:处理复杂几何的能力,以
定义和跟踪数百万条光线;图形显示、可视化操作以及提供3D实体模型的数据
库;导入和导出主流CAD软件和镜头设计软件的数据格式。
TracePro使用简便,在使用上只要分5步:建立几何模型;设置光学材质:
定义光源参数;进行光线追迹;分析模拟结果。
4.4菲涅尔聚光器光学仿真
对于光学系统构建需要充分考虑到各个细部的仿真模拟,在计算机上实现性 能再现【341,这样才能为实践以及应用作出指导性的作用。
以通光面积为230minx 230mm、环距为lmm、焦距为248mm、平面楞型朝
外的菲涅尔透镜为例建模。在此首先算出菲涅尔透镜各环特征参数,然后根据参 数在Pro/E中建立菲涅尔透镜模型,导入Tracepro软件中,定义阳光参数,材料 参数等,分别模拟焦点前、焦点处以及焦点后光斑能量分布。
Ⅱ℃m4T土学侧I学位论文
图4-9为具有相同透镜参数棱面朝下菲涅尔透镜在不同光轴位置E焦斑形状 及能量分布图,由图可必看出焦斑能量在中心位置非常集中,然后往四周旱急剧
下降趋势。
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篇一 。1
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接受耐位置260mm 图4-9等环距菲涅尔透镜在光轴不同位置焦斑形状厦能最分布
可以见得同样大小的通光面积要想达到高倍果光比,则需要较大的焦距,而
大的焦距会使得采光框架增大,增JJu成本,故而形成了矛盾。同样,根据模拟焦 斑处能量分布状况可以知道焦斑能量分布极度币均匀,而且中心位置能量密度极 高,近中心位置存在能量较低区域,即为暗斑。众所周知一点能量分布不均匀, 在聚焦电池上将会出现热斑效应从而影响电池效率。这就需要对传统的菲涅尔透 镜提出新的殴计要求。 对市场上的菲涅尔透镜太阳光聚焦光斑形状实验结果如图4.10所示,由图可 见从5中我们可以清楚地看出焦斑处存在明显的十字星亮斑,从8中可以看到梅 花状的赔斑。而这些因素,足能最分布极度不均匀状态的体现,任太阳能聚光器 设计过程中要提高聚光电池的发电效枣就必须对重新设计聚光器结构,均化能量
分靠。
I_▲
阁4一lO聚购的菲涅尔透镜太阳光聚焦光斑形状实验照片
武汉理T大学硕上学位论文
第5章焦斑能量均匀化
要提高太阳能发电效率,不仅需要提高光学效率,同样需要提高太阳能聚光 器的焦斑能量分布的均匀性。针对菲涅尔聚光器的均匀性问题,本章提出了两种 实现焦斑能量分布的均匀性方法:一是采用非成像光学原理,设计多焦点菲涅尔 透镜结构,使焦斑能量在接收器表面重新分布,达到焦斑总体的能量均匀;二是 通过二次光学镜改变太阳光聚光光路实现焦斑能量均匀化。本章主要对两种方案 进行光学设计与仿真,对能量均匀程度和相对于发电系统的容差特性进行比较。
5.1均匀化透镜设计
均匀化透镜是指太阳光经由透镜聚焦后焦斑能量均匀分布。现在均匀化透镜 设计几乎都是基于多焦点设计,因为多焦点透镜是将透镜镜面分割成若干个小单 元,每一个小单元相当于一个个小透镜,它们都在焦平面上有对应的焦点。通过 调整焦点在焦平面上的分布以求达到焦斑能量均匀分布的目的。
5.1.1均匀化透镜结构设计及优化
为了在焦平面上形成较为均匀和理想的的光斑,多焦点设计一般是将透镜均 匀分割,这样在透镜的焦平面上也自然形成了对应的焦斑。所以在这里多焦点透 镜设计首先从四焦点透镜设计出发,分析四焦点焦斑能量分布。 在四焦点透镜的设计过程中,为了达到焦斑的能量分布均匀,可以使四焦点 透镜焦点在焦平面上均匀分布。
武汉理工大学颂b学位论文
5.1.1.1四焦点平面楞型朝内菲涅尔透镜焦斑能量分布分析
图5.1多焦点平面楞型朝内菲涅尔透镜原理图
如图5.1是一个四焦点平面楞型朝内的菲涅尔透镜聚焦原理图,从中可以易 知镜面分为四块,每一块都在焦平面上有自己的焦点。图中显示的菲涅尔透镜的 通光面积为LxL,焦平面接受面lxl,焦距为厂;它将设计为四焦点模式,尺为 单焦点外廓半径,,.为单焦点光轴与透镜中心轴的距离。 在这里以通光面积为230ram×230ram,接受面积为10mrn×10mm,焦距为 250mm,,.为5mm透镜设计为例,分析其透镜效率以及焦斑能量分布。
根据示意图5.1易知:
尺:上/√i
透镜的环参数计算同文中第二章设计方法相同,在这里就不做累述。
(5.1)
需要对透镜焦斑能量分布进行均化,可以从透镜结构以及楞型上面着手,这 样改变光线的聚焦路线,从而达到均化的目的。 首先在PRO/E中建模,如图5.5所示:
武&ⅡT上学顾L学位皓z
(a)230x230ram透镜
(b)外廓止面图
230X
(c)中心局部图
图5-2
230ram四焦点菲涅尔透镜
根据以卜透镜,对分别对对r=4mm,4 5mm,5mm的透镜进行模拟以及效 率分析,得出其焦斑能量分唧特征:
_■1=I。_厂口—嗣■—_]口■_.—罾■㈠圈
一圈一一i|圈 圈一蛩黧隧
幽5-4
r=4 5,y=250
以&ⅧT^学砸L学位论史
1=_l暑|二:垦翟■固—一
图5-5
r=5,y=250
可以观察到5-3、5-4以及5-5能量分靠特点:5.3焦斑四角出现耀斑.中间 能量分布略高;5-4能量分布情况与5-3类似,但能量分布略微均衡;5-5能量分
布较为均衡,但是效率确实不尽于人意!
出现差异,首先得分析光源面,通过设置,可以逆向追溯分布在接受面上的
光线对应的光源面光线,即如图所示白色宅白部分为光源面上的光线没有分布在 接受面上。
戮饕
(a)r=4nlm
豢蒸
(b)r=4 5mm


烹_1_

l¨j,


I-
(c)r=5mm
图5-6接受面卜的光线在光源而上的分柑
从图5 6可以揖楚地看出光源面中心的光线都没有被接受面接受,尤为甚者
r-5mm时,出现的足明显的空白卜字,这样严重地影响了光学系统的效率,所以 必须通过优化使得中心位置的光线被接受面良好接受,就得进一步优化透镜结
构。
5.1.1.2八焦点平面楞型朝内菲涅尔透镜焦斑能量分布分析
根据图5 6分析,对于光源面上存在末分枷在接受面上的情况.需要对透镜
以汉目T^学m_。学位论女
镜面的重构和设计。对于未被接受面接受的光源面空白区域重新划归为独立单 元,同样也在光源面上形成自己的焦斑。这样可以设计出如下图的八焦点透镜。
(a)外廓正丽翻
(b)中,C,,F-J部图
图5—7
230X230mra八焦点菲浑尔透镜
将r=5mm的非耀尔透镜导入Tracepro中分析,得出以下结果:
{霏跚卑匿 {|||翘藏
m一
量|



=薹协

。搿 薹亘 、急 撕Ⅲ 蒜
图5-8最优位胃(y=247mm)能量分布图 图5—8中接受面上效率有了大幅提高,焦斑均匀性也大幅提高,但是接受面 上出现了明显的十字亮斑。通过对光源面分析,可以发现在光源而中心仍然存在 未分柿在接受面上的空白。可以推测可能是透镜的楞型选择导致了太阳光形成这 样的十字形焦斑,所以需要时透镜楞型形状进行改变,以改善接受面接受焦斑能 量的均匀性。
武&ⅨT^学顶t学位论文

5.1.1.3均匀化平面楞型朝内菲涅尔透镜焦斑能量分布分析
对透镜楞型进行更进一步的优化,将八焦点的透镜中间的楞型修改为十字横
行楞,这样中M的四焦点不会形成相对的聚焦,使得中间的光线能够均匀地分布 在接受而k。透镜楞型如下图5一10:
a)外佛正面吲
b)中心局部图
图5{0 230×230ram均匀化菲涅尔透镜
武&理T大学碰L学位论史
图5一12
接受面卜的光线在光源面上的分巾
口J以看出通过这种优化方式优化的菲涅尔透镜在焦斑均匀化方面有这显著 的提高,而且接受效率也较之之前非常具有竞争力。所以uT以确定它为较为优秀 的均化方案,是可以达到项目目标的实用的均化方法。
5.1.2均匀化平面楞型朝内菲涅尔透镜效率分析
承上节-剥得出的均化型透镜进行效率评价和分析。殴透镜通光尺寸为 230minx230mm,透镜焦距为250ram,环距为lmm,折射率为1 49的PMMA 材料,接受面为1lmmxllmm,对处在光轴不同位置的电池接受面效率分析。
武&月r^学m L学Ⅱ论』



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接受面位置

图s—13接受面功率及均化稃度
可见在光轴上,接受面效率在光轴延伸时,将逐步降低。图5.13中RMS为 接受面数掘的均方根值,是衡量接受面能量均匀化的指标,也就是当RMS值越 小,接受面均化效果越好。如翻所见,在接受面当接受面处在光轴248mm处, RMS值也较小时,其透镜效率能达85%。F图为最优处焦】赶能晕分布图。
ⅢⅥM。i儿m…
1二圈_●愚翟l■■
图5.14展优处光斑能量分打图
5.2均化二次镜设计
=次镜是指为了改变聚光系统光路而增发的光学镜。运用二次镜对光路进行
武汉理工大学硕上学位论文
重新调整,对焦斑能量重新分布也是一种较为有效的方法。而二次镜设计是利用 光路在前进过程中全反射的原理来进行光路调整的,在这之中要充分接受透镜透 过来的太阳光,就必须做到每~楞透镜的色散范围在二次镜的接受范围内,而且 要考虑到二次镜的面型角度要保证每一种波长的光线能够全反射。这是一个复杂 的琐碎的运算过程【35J。 二次镜有各种各样的形状,而这之中作为太阳能聚光用的二次镜是以梯形台 样式的,由于其制作简单,安装简便在太阳能聚焦发电运用比较普遍。
5.2.1均化二次镜结构设计
由于一般地菲涅尔透镜的最后一环,环倾斜角度大,折射角度大,色散程度 也是最大的,故而用最后一环的数据作为二次镜设计的参考来进行设计。
图5.15二次镜均化平面楞型朝内菲涅尔透镜原理图 给定设计条件:透镜通光面积为L×L,接受面lxl,焦距为.厂。设Ⅳ。和Ⅳ, 分别为透镜材料和二次镜材料的折射率。R为透镜外廓半径,,为单焦点光轴与 透镜中心轴的距离;Z为折射角度最大的紫外光,正为折射角度最小的远红外; ^为二次镜上端接受面半径,‘为二次镜上端接受面半径,h为二次镜的高;透 镜最后一楞高度角为口。。
尤=——o————‘乡——o————‘ 尤:垒:【上二』!≥墨:f蔓二兰!(5-2)

Jj

4l
武汉理T大学硕七学位论文

图5.16二次镜设计原理图 由图5.16可知
警:ⅣI
Sin%
(5.3)
_sinifl,:N. sin属
据式5-3和5.4有:

(5.4)
《=arcsin(Nl?sinao)
(5.5)
∥…in(警]
由图易知: p,=仅:一。c,
(5-6)
(5?7)
将式5.5和5.7代入5-6中有:
且可根据二次镜的折射率算出该材料的临界角:
fl"=arcsin(生一)
c…in㈡
42
㈣8,
@9,
在棱镜表面要发生全反射,则需要满足入射角大于或等于临界角,故而需满足以 下关系式:
武汉理1二人学硕士学位论文
要一缈一群≥c
(5.10)
其中:例ctan(孚)

孚<Cot(属+c)
优化结果。
(5.11)
满足式5.1和5.11关系式,可以设计出大概的二次镜尺寸, 然后才能进一步
5.2.2均化二次镜效率分析
这里以通光面积230mm×230mm,焦距为248mm的菲涅尔透镜,聚焦电池
接受面积为lOmm×lOmm,所以根据上述公式可设计一序列二次镜。二次镜规 格10.20.30表示上部边长为lOmmX lOmm下部边长为20mm×20mm(通光尺 寸)高度为30mm的梯台。通过对不同规格的二次镜在光学系统光轴上由近及远, 不同位置进行运算模拟,得出了以下图表4-1.
表5.1二次镜尺寸即效率对比
根据这些二次镜,然后对二次镜进行光学分析,分析光学系统效率。 据图5.17的第一个曲线图可以看出规格为102030同102535的二次镜在高 度相同,接受口径不同的情况下,在离光学系统光轴较短时接受口径较大时接受 效率较好,然而电池接受面在离光轴达到265mm左右将出现交替,口径较大时 的接受效率反而较低。类比其它曲线,可以知道在二次镜在高度相同时,在电池 接受面离菲涅尔透镜光轴较近时口径较大的二次镜效率较高,当离光轴距离达到 一定数值时,口径较小的二次镜效率较高。
43
武汉理T^学碗士学位论奠
匪鬻匪
图5一17同样高度二次镜光学系统不同接受位置对比效率图 总观图5-17,发现^张图中的曲线都存在不『州程度的拐点,通过多次认真分 析以及在Tracepro中模拟,并对光线进行逆向追进。菔现在离光学系统光轴较近 时,光斑较大,光斑远大干二次镜接受面积.随着二次镜在光轴上由近及远移动, 阳光进入二次镜增多,出现74,幅增长,但是当进一步向远移动时.由于部分光 线反射角度较小直接透射二次镜,就造成了二次镜的效率回落。 掘蹦5—18可以发现通光尺寸相同的不同高度的二次镜构成的光学系统在光 轴上透过率优劣同样存在交替。随着高度的增大其透过率最佳位置也随之向后延 移,而最佳位置基本处于同一透过率。而能够维持较大范围的高透过率不是最小 高度也不是晟大高度,而只是处于适中位置才具有较好效果。
武汉理T^学砸=|学位皓文
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图5一18通光尺寸相同不同高度光学系统不同接受位置对比效率图
5.3容差分析
由于太阳跟踪系统有不可避免的P&踪偏差,所以在这里必须对设计方案给与
定的容蔫评价,才能对实际工作有着理论指导作用。 以焦距为250ram通光面积230ram×230mm设计为例,对普通菲涅尔透镜在
y=250r岫,结构优化透镜y=250mm以及加栽规格为102040的=次镜y-290mm进行
跟踪误差分析,可以得出图5—19。
图中可阱看出加载二次镜的聚光系统表现最为优越,在跟踪系统误差达到

5。接受面效率仍然达到60%以j1。而结构优化后的透镜,对跟踪误差较为敏
感,其效率显著降低,几乎呈现个直线F降趋势,但较之普通型菲涅尔透镜系 统下降较缓;普通行菲涅尔透镜系统虽然在系统跟踪误差较小时接受效率较高, 然而随着跟踪误差的加大,及接受散率显著降低.当误差达到I_25。时,接受
效率几乎为0。
武汉理丁火学硕士学位论文
图5—19三种光学系统跟踪误差和效率曲线图 据上分析可知,这三种光学系统对各自的应用范围有着不同的应用范围,普 通的菲涅尔透镜聚光系统,在传统的聚焦发电中仍然发挥着这至关重要的作用, 但是由于他聚光焦点能量分布不均匀,会造成电池温度升高而且使得聚焦电池的 填充因子降低,这样严重影响发电效率;二次镜均化系统无论是容差性还是在效 率上都具有优越的表现,然而它由于增加的光学器件,复杂了加工和安装工艺, 增加了成本;而结构优化型菲涅尔透镜光学系统具有结构简单,且效率也能达到
较高水平,然而对跟踪精度要求较高。可见三种光学系统各有优劣,各有各自发
展的空问。
武汉Ⅷr人学倾十学位论j
第6章应用实验分析
从聚光仿真以及焦斑能量均化的仿真上,发现了菲涅尔粱光器聚光能量分布 的一些捌律,为了对菲涅尔聚光器性能和效率进行数据测量和分析,搭建了一组 有效的实验平台,并在该试验平台下完成了一组普通菲涅尔聚光器的实验测量, 并分析了软件仿真和实际测量之间的误差来源。
6.1实验平台的建立
实验系统组成示意图如图6.1所示.主要包括太阳跟踪系统、集光系统、测 试与数据采集系统三部分,在973项目中,已经建立一整套完善的太阳跟踪发电 实验系统。浚系统是根据点阳运动轨迹实现A阳的方位角和高度角两个方向上的 双轴系统跟踪。它是山机械跟踪系统、上位机控制系统、聚光系统以及其它附件 (传感器、数据采集和水循环冷却等)组成。为了测定菲涅耳聚光器光轴上不同 位胃的光学效率.实验中自制了一套聚光光伏电池位置谰节装置,可咀方便地调 节非涅耳聚光器与聚光光伏电池的距离。

圃墨:;
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盟■-昌|_|昌羞嗵
图6.1
实验平台
武双目T^学颇J:{位论文
测试与数据采集系统包括总辐照表,数掘巡航仪,温度传感器,古时利2600 源表,通过返些仪表可测量太阳辐照强度,被测电池温度,被测聚光电池短路电 流、开路电压、电池输出功率、电池转换效率等参数,这些数据将被用求计算光 学系统效率,实现对太阳能聚光光学系统的实验与评价。 具体实验系统照片如图图6.2所示。
图6.2系统拱建
通过这个实验系统.可以对4:同类型的菲涅尔聚光器进行实验对比分析,从 而对市场上存在的菲涅尔透镜进行全面的效率分析以及对实验仿真的聚光方案
进行效果验证。
6.2实验数据采集
利用辐照表,测量出武汉2010年3月28 R全天太阳辐照数据,如下图所示
武汉理工大学硕士学位论文
图6.3武汉2010年3月28同测量的太阳辐照图 采用市场上230mm×230mm的焦距为248mm的菲涅尔透镜进行实验,
在距离透镜光轴不同位置进行测量,在光轴不同的位置测量出聚光电池的发电特
性如表6.1所示: 表6.1聚光电池放置位置与聚光电池发电特性测量结果
图6-4为聚光电池在光轴上放置位黄的变化对聚光电池发电特性的影响。
由图可见聚光电池的输出功率在接近透镜焦点较近的位置时最大,而此时的电池 的填充因子却是较低的,约72%,这是由于焦斑能量分布相当不均匀以及聚光电 池温度急剧升高所致。在以光轴焦点处为中心,电池功率向两个方向都下降,相
49
武汉理T大学硕上学位论文
反,电池的填充因子却又略微上扬。同样可以看出开路电压几乎都维持稳定,在
2.78V左右;而短路电流却电池功率曲线相似。
图6.4编号为00528的聚光电池测量值
6.3实验数据分析
太阳能聚光电池光电转化效率77P【36】:
仉=VMo,"lo,=矗
其中:%和‘为输出功率最大(o)时最佳电压和电流
,为电池面上入射光强度
(6—1)
4太阳能电池面积 同样也存在:
L=字一6
其中:乞为聚光电池短路电流
I为电池面上入射光强度
(6.2)
武汉理T大学硕上学位论文
t太阳辐照强度 口和b为聚光电池特性参数,每一个电池该参数都不尽相同
(a)不同聚光比FⅣ曲线

(b)C同Isc关系曲线
图6.4聚光比C和短路电流Ise关系 根据生产厂家提供的聚光电池在测试条件为1.5AM室温20℃的条件下,不 同的聚光比下的伏安曲线如图6—4(a),不难读出不同的聚光比下的短路电流,
通过线性回归,这样就知道该电池在不同的聚光比于短路电流的关系,几乎为一
条直线。根据图中数据进行线性回归图6—4(b),这样不难得出公式5.2中a为
0.0138,b为0.0304。
通过将测量得的L,代入计算,可以得出等效聚光比C,然后可以计算出 电池面接受功率,和光源面接受功率对比,可得出等效光学效率。 在这里就可以通过表6.1提供的数据,通过总体效率和电池效率而推算出光 学系统的等效效率,并且在相同的情况下在Tracepro软件中仿真,得出光学系统 的模拟光学效率;其对比曲线如下图6—5.从图中我们可以清楚的看出模拟光学效 率要高于等效光学效率,而在光轴位置在245mm左右,光学效率相差最大。
图6.5等效和模拟光学效率对比曲线
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存在模拟和通过测量计算上的误差主要原因存在一下方面首先是由于聚光 比和短路电流的关系式是通过厂家提供的参数进行经验计算出来的,使得计算结 果有偏差;其次是电池效率会随着温度升高而降低,而在计算过程中未考虑温度
因素从而高估电池效率;没有较好的办法考量焦斑能量分布极度不均匀对电池效
率影响。因而实际光学效率应在等效光学效率和模拟光学效率之间。 在以后的试验中需要对各影响因子进行细化量化,这样才能使等效光学效率 和模拟光学效率趋于理想状态(其理想状态为两光学效率曲线重合),使得测量
逼近实际光学效率。
52
武汉理下大学硕士学位论文
第7章结论及展望
7.1全文总结
本文从非成像光学设计原理出发,对太阳能菲涅耳聚光器的结构设计方法、 光学性能仿真与评价、聚光系统能流密度均化技术进行了系统的研究。论文首先
改进了现有设计方法,获得了菲涅耳聚光器统一的设计公式,且根据该公式设计
并计算了菲涅尔聚光器的主要结构参数和光学效率;其次采用Pro/E三维参数化
建模技术与Tracepro光学软件结合的方法,实现了对菲涅耳太阳能聚光器的聚 光光学特性的仿真,由仿真结果可以验证由统一的设计公式设计的菲涅耳聚光器 的结构是合理的,通过光学仿真发现通常设计的菲涅尔透镜均存在光斑能量分布 不均匀,影响太阳能聚光电池发电效率的问题;为优化太阳能聚光器的光斑特征,
本文提出了两种优化焦斑能量分布的方案,一是采用非成像光学原理,设计多焦
点菲涅尔透镜结构,使焦斑能量在接收器表面重新分布,达到焦斑总体的能量均 匀;二是通过二次光学镜改变太阳光聚光光路实现焦斑能量均匀化,仿真结果表 明两种优化焦斑能量分布的方案均是可行的,并设计出了均匀化菲涅尔聚光器, 该聚光器可同时实现光线聚集与聚焦焦斑能量均匀化的功能,并可控制焦斑形状 为方形,简化了太阳能聚光光学系统的结构;最后,为了验证软件仿真的准确性, 建立了太阳能聚光光学系统性能测试与评价试验平台,对菲涅尔聚光器进行了完 整实验测试,并对测试结果和软件仿真之间了误差给出了合理的分析,本文部分 研究结果已在国家863项目中成功应用。
7.2后续研究和展望
太阳能聚光系统是太阳能聚光发电系统上重要的太阳能收集器件,它的效率
直接影响了太阳能发电系统的总体效率。后续研究将侧重两个方面的研究工作: 1.对太阳能聚光的结构进一步优化,提高太阳能聚光器的光学效率。 2.从系统的概念出发,将聚光器的结构设计与太阳能聚光系统设计并行考虑, 并重视系统在更高倍聚焦条件下的焦斑能量分布均匀化技术的研究工作。
53
武汉理.丁大学硕士学位论文
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武汉理工大学硕.}:学位论文
【36】张翼中.菲涅尔透镜聚光型太阳能电池光电/光热综合利用性能研究:[硕士
学位论文].重庆:重庆大学,2007 [37】天野贵志,中村恒久.菲涅尔透镜[P].中国专利,200680033855.8,2008,9—10
武汉理工入学顾:卜学位论文
致谢
在本论文完成之际,谨此向我的导师李鹏老师致以最崇高的敬意,并表达我 衷心的感谢!本论文是在李老师的悉心指导和关怀下完成的,三年下来,李老师 不仅在生活上也给我师长般的关怀,教导我正确的人生观和价值观,令我终生受 益;而且在学习上给我许多帮助和指导,李老师学识渊博、治学严谨务实、富于 创新、注重实效、处事严谨朴实,这些都是我毕生学习的目标和努力的方向。我 将谨记李老师的教诲,老老实实做人,本本分分做事。 在三年的研究生学习和生活期间,同样也得到了本课题组的易法军老师、李 如强老师的教诲和帮助,各位老师平易近人、热情无私,在此向各位老师表达我
深深的谢意!
另外,本文也得到了本实验室杨培环、王力权、蔡兰兰、鲍雷、冯东亮、吴 新疆等同学的热情帮助,以及得到了室友高博、余昌文两位同学的鼎力支持和帮 助,在此一并表示真诚的感谢1
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武汉理下大学硕十学位论文
附录作者研究生期间发表论文及学术活动
【1]李鹏,廖锦城,吴贺利等.基于虚拟仪器的双轴太阳跟踪系统.第十届中国太阳 能光伏会议论文集.浙江:浙江大学出版社.2008 [2】廖锦城,吴贺利于2008年9月19日参加在常州举办的第十届中国太阳能光 伏会议暨展览会
[3]李鹏,吴贺利.菲涅尔聚光透镜的一般设计方法及效率分析.武汉理工大学学
报,2010(6):62.66
菲涅尔太阳能聚光器研究
作者: 学位授予单位: 吴贺利 武汉理工大学
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1679954.aspx 授权使用:合肥工业大学(hfgydx),授权号:fcb9e5cb-2f96-4da1-9722-9e2900e7ae41 下载时间:2010年11月9日

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