太阳能槽式集热器聚焦能流矢量空间分布检测及数据反演

From the viewpoint of concentration flux vector distribution, this project studies the information acquisition, information expression and data inversion to reconstruct the geometric parameters of concentrating system, and further evaluate the optical performance. Firstly, numerical integration is adopted to disclosure the concentration flux vector distribution of the parabolic mirror. The mapping transformation between the subspace of the concentration flux vector distribution of the subparabolic mirror and the sumspace of the total mirror will be investigated. The relevancy between the errors of the geometric parameters of concentrating system to the deformation of the flux vector distribution will be illuminated. Secondly, the measurement experiment of flux vector distribution using fibers is scheduled. The data of experiment is processed based on the decrement of the fibers and expressed in terms of three-dimensional matrix. Finally, the data inversion is used to reconstruct the geometric parameters of concentrating system based on the data of the experiment and corresponding relations. The error of the concentrating system will be showed, including form accuracy, tracking error and position error of receiver. The result of this project can elucidate the relation between the concentration flux vector distribution and the geometric parameters of system. And the results can also supply a new thought to assess the optical performance of solar thermal power station. A set of complete and universal measurement technology and interpretation theory will be established.

本项目拟从辐照能流的矢量信息获取、表达、反演角度，展开太阳能槽式集热器聚焦辐照能流矢量空间分布信息提取和处理研究，实现聚光系统评估和反演重构。首先，利用数值积分揭示抛物子镜面聚焦能流空间的矢量分布特性，构造总和能流矢量空间到子镜面矢量空间的映射方法，厘清聚光系统几何误差和能流矢量分布畸形的关联模式；然后，展开聚焦能流的矢量信息光纤采集实验，并结合光纤衰减率与入射角关联特性，对所得光通量数据进行复原，获得真实的辐照能流的矢量分布信息，并用三维矩阵表达。最后，基于总和能流矢量空间到子镜面矢量空间的映射关系，对真实的辐照能流矢量分布数据进行反演，重构聚光系统几何参数，给出镜面误差、跟踪误差和集热管位置误差描述。本项目的研究成果将揭示聚焦能流矢量空间分布形式，为太阳能槽式聚光系统的光学性能评估提供新思路，阐明其槽式聚光系统几何参数误差之间的关系，建立一套完备、普适性的在线检测技术和解释理论。

项目背景：槽式热发电系统利用太阳能槽型抛物面聚焦太阳光，利用集热管吸收聚焦辐照能流。但是实际应用中聚光系统面临跟踪误差、安装误差、部分遮挡等多种非理想因素，导致聚焦能流在集热管外壁的分布发生畸变，甚至偏离集热管，致使发电效率低于预期。聚光系统的聚焦能流研究非常重要，然而对其问题根源的研究尚存欠缺，是目前槽式太阳能热发电领域的前沿课题。.研究内容：研究聚焦辐照能流的检测方法，给出聚焦能流的数学表达工具；构造子镜面矢量空间和总能流矢量空间之间的映射方法，实现对存在光学误差的子镜面逆向定位；确定典型光学误差对聚焦能流分布的影响特征，如跟踪误差、安装误差、阴影遮挡等；实现对聚光系统的评估，给出截断因子和镜面光学误差的诊断。.重要结果：通过对聚光过程中光束叠加过程的详细研究，开发出一种降维算法，可实时完成集热管壁面能流密度分布计算。该方法通过对抛物镜面和太阳盘面分别一维化，建立了纯粹的2D算法，相比传统的3D空间中的光线追迹算法，在计算时间上降低2个数量级。同时可以处理各种光学误差，如太阳跟踪误差，集热管轴线位置误差，阴影遮挡以及截断因子。实验证明，对集热管灰度图像应用降维算法结果，可以给出聚光系统的误差诊断。.关键数据：所开发的降维算法所需计算时间仅需1秒，计算结果标准差小于0.1个太阳，在计算耗时上比传统蒙特卡洛光线追迹法缩短几十倍。集热管壁面CCD相机灰度图像可提取出峰值，配合算法可实现在线检验聚光质量评估。发表相关SCI收录论文7篇，影响因子均大于4.0.开发软件一项，申请发明专利4项。.科学意义：研究成果证明，抛物槽式太阳能聚光过程可以精简到2D空间进行能流密度积分计算，通过比对能流密度曲线与集热管壁面能流密度CCD灰度图像，给出聚光质量评估，确定相应的光学误差类型，这为在线评估和优化聚光性能提供了便利。