太阳能空调槽式聚光系统的光学分析

太阳雨太阳能集团有限公司 ■ 陶涛 张景珊 李豪举 张正 宋德胜

一 引言

随着太阳能聚光系统的发展，其几何形式越来越复杂。为了更好地设计太阳能聚光系统，用光线跟踪法对其内部光线分布进行分析是非常必要的。进行光线跟踪分析的方法很多，例如根据聚光系统设计公式求出其形面上各点的坐标。将各点坐标导入AutoCAD中，得到聚光系统形面图。在AutoCAD中，根据给定的入射角画出入射光线，它们与聚光系统形面的交点即入射点；在入射点处画出法线；根据镜面反射定律，画出该入射光线的反射光线[1]。虽然该方法较为实用、精确，但是步骤较繁琐。随着计算机的快速发展，利用计算机进行光线跟踪分析已经开始广泛应用。

二 光学解析软件

在光学系统建模中通过配置光源和评价面中的接收器，设定光源的形状和位置、发光强度、配光分布和光谱分布等；并且设定所建光学模型材质(折射率、吸收特性等)、表面特性(透射率、反射率)等属性，便能正确进行光线追踪。

光学解析运算采用蒙特卡洛法，为了满足光源中设定的特性，随机射出光线，每束光线发出时都拥有一定量的能量，能量的多少由光源的特性决定；随机光束射入聚光系统后，结合模型中的光学特性(物理特性)，跟踪每束光束在系统内的传播。当其到达某表面时，光线的吸收与反射是随机过程，并由根据该表面的反射性质建立的相应的概率模型确定其结果，若被该表面吸收，则停止跟踪该束光线；若被该表面反射，则遵循反射定律以镜面反射比的比例被反射，并需继续跟踪反射光束，直到被反射面吸收或反射出聚光系统；当光束强度可忽略时，此束光束可不需继续追踪。统计到达接收器的光束，最终输出照度、亮度、配光、色度分布等的数值和各种表格[2,3]。

三 理想状态下系统的光线追迹分析

首先在三维软件上建模，得到如图1所示的聚光系统模型。将三维建模软件导出的IGES格式的文件导入光学解析软件中，进行光线追迹模拟。所谓理想状态即聚光系统的对称轴与光源中心轴重合。或者说在实际运行的装置中，旋转角与俯仰角方向上不存在跟踪误差，并且反射面是完美镜面，忽略反射面轮廓误差、接收器位置误差。

图1 聚光系统三维模型

因此在光学软件的参数设置中，选择系统内表面材料为铝，反射性质为镜面反射，反射率为90%。入射光为一组平行于对称轴的平行光束。这样的设置就可达到理想状态。因此所有由抛物面反射的入射光线会聚在焦点处，未偏离焦点。初始不带能量的光线为300条，追迹运算结果，接收平面上的光线分布如图2所示。截面为三角型的接收器，当其顶点与焦点重合时，可看到有部分关线是从接收器边缘射出而没有被吸收，所以当接收器位置向上调节一定的距离，则所有的被反射的关系都可以被接收到。

图2 理想状态下的系统光线追迹图

四 理想状态下系统的光学访真分析

图3 光源光谱设定

图4 接收器两个平面的能流分布图

上述分别对聚光系统在平行光线条件下，进行追迹分析。上述运算结果中每束光线发出时都没带有一定量的能量。下面将采用蒙特卡洛法进行光学解析运算，设定光源的能量为800W，发出10000束光线，其波长范围为315～2270nm，光谱分布类似于太阳光谱；结合模型中的光学、物理特性进行光线追踪，最终考查接收器上的能流密度分布情况。

太阳辐射主要集中在可见光部分(0.4～0.76µm)，波长大于可见光的红外线(＞0.76µm)和小于可见光的紫外线(＜0.4µm)的部分较少。在全部辐射能中，波长在0.15～4µm之间的占99%以上，且主要分布在可见光区和红外区，前者占太阳辐射总能量的约50%，后者占约43%，紫外区的太阳辐射能很少，只占总量的约7%。因此设定的光源光谱要尽可能地与地表处的太阳光谱类似，如图3所示。

部分仿真结果如图4所示，图4a、4b分别为图1所示接收器的左侧、右侧吸收平面的能量密度分布图。由图4可看到光斑的变化。

五 结论

利用光线追迹模拟的方法不仅可对太阳能聚光系统的光学性能进行分析，在太阳能集热系统的最终设计确定前，利用光线追迹模拟的方法可直观、方便、快速地对初步设计方案进行检验，及时发现设计缺陷，节省设计、测试时间和经费。

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