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固定焦点式聚光反射镜研究的新进展

信息来源:nooeoo.com  时间:2010-10-21  浏览次数:220

  固定焦点式聚光反射镜研究的新进展——陈应天教授的数字化太阳跟踪和聚光理论张迎胜
  摘要:介绍了固定焦点式聚光反射镜在长期研究发展历程中所取得的进步和存在的不足,着重探讨了近年来由陈应天教授所提出的数字化太阳跟踪和聚光理论在克服这些不足方面所起的重要作用。
  关键词:固定焦点;聚光;反射镜;太阳;跟踪;自旋;仰角
  中国分类号:tk513
  文献标识码:athelatestprogressofresearchforthefocusingreflectorwithfixedfocalpoint—chen′sdigitaltheoryofsolartrackingandfocusingzhangying-sheng(wulumuqi830011,xinjiang,china)abstract::itwasintroducedthatfocusingreflectorwithfixedfocalpointhadachievedimprovementsandstillexistedsomeshortcomingsintheresearchinganddevelopingcoursewhichwastakenlongperiodoftime.theimportantaffectofdigitaltheoryofsolartrackingandfocusing,wasinventedrecentlybyprofessorchen,atsolvingtheshortcomingswasapproached.keywords:
  fixedfocalpoint;focusing;reflector;sun;tracking;spinning;elevation;0
  在太阳能利用领域,旋转抛物面反射镜一直是会聚太阳光最有效的装置,但是它的焦点是随着反射镜一起运动的,这就使接受器的尺寸和质量都受到限制,尺寸大了会遮挡反射镜,质量重了又会增加支撑杆的负荷;同时,接受器处于运动状态也不利于能量的导出和保温的设计。为了解决这个问题,人们一直在努力发明一种焦点位置固定不动,仅通过反射镜的跟踪运动就能会聚太阳光的聚光器,并且提出了各种不同思路的设计方案,有的方案已开发出产品并且成功地推广应用。
  随着计算机技术的迅速发展,我们已经进入了数字化时代。对信息的数字化处理,一般来说要经过采样——压缩和编码——解码和解压缩这样一个流程。如果能够把这样的数字化流程用于固定焦点式聚光反射镜的设计和研究,肯定会有助于这个经典难题的解决。中国科学技术大学特聘教授陈应天提出的数字化跟踪和聚光理论正是基于这种思路。陈氏理论的核心内容主要包括自旋+仰角跟踪方式和行+列驱动从镜聚光的模式,其中尤以他所提出的驱动m*n个从镜的有效方法更能体现出数字化的优越性。本文在综述固定焦点式聚光反射镜研究的历史进程基础上,探讨陈氏理论在这方面所起的重要作用。限于篇幅,本文对陈氏理论不作过多的介绍,讨论问题基本上是建立在读者已
  作者简介:张迎胜,男,1949年生,副研究员。研究方向:太阳能聚光器。1981年提出用于固定焦点聚光器跟踪聚光的双向可变曲率半径反射镜理论。email:kjtzzyyy@xj.cninfo.net经看过参考文献,对陈氏理论有所了解的前提下。欲详细了解其内容,请阅读参考文献——。1
  固定焦点式聚光反射镜研究历史的回顾
  最早有文献记载的固定焦点式聚光反射镜的设计是前苏联的温贝尔在上世纪三十年代所完成的。图1是全苏水力工程与卫生工程研究所在1936年建成的蓄热式太阳能淡化蒸馏器,反射镜面积为32m2,是根据温贝尔的计算
  图1温贝尔所设计的固定焦点式聚光反射镜
  图2具有彗星形象差的光斑照片
  和方案制成的。此种反射镜是从抛物面的侧面截切下来的部分,只有当主光轴对准太阳时,阳光才能在焦点处准确聚焦,在其它时刻阳光并不能在焦点处准确聚焦,而是形成慧星形象差。为了收集不同太阳位置时镜面反射的所有阳光,接受器应具有最大光斑的尺寸。通常是采取折衷的方法,适当减小接受器的尺寸,但这时要损失一部分能量,这种损失可以通过增加保温层厚度减少热损失来弥补。图2是在太阳接近地平线时所拍摄,可见由于反射镜的慧形象差而增大的光斑。图3给出了按照太阳高度角为37°时能接受到全部反射阳光而在其它太阳高度角时损失一部分阳光的原则所设计的接受器在每年几个典型日期所收集到的太阳辐射流变化的计算曲线图,它们分别代表冬季、两分日、图3接受器所收集的太阳辐射流的计算值变化曲线图夏季中涂黑的部分相当于未射入接受器孔径的阳光。
  温贝尔设计的这种固定焦点、固定镜面形状的聚光反射镜后来并没有推广开,其原因有多方面的,据本人分析可能主要还是它的聚光性能不理想,全年平均聚光比偏低,当然与发明人没有全力去推广也有一定的关系。
  类似的固定焦点聚光反射镜在新疆也有人研制过。上世纪九十年代,新疆生产建设兵团农二师某团场的一位发明者独立开发成功,据说作太阳灶用功率很大,使用效果相当不错。本文作者曾见过他拍的样机照片,和温贝尔的设计有点类似。
  在上世纪八十年代,本文作者也进行过固定焦点聚光反射镜的研究,主要是为了用于塔式太阳能热发电的定日镜,受条件所限,只做了理论分析和模拟实验,没有形成产品。当时提出的是一种用双向曲率可变的凹面镜向空间任意位置的固定靶心聚光的理论,简称双向可变曲率半径方法,如图4所示。图中r1为子午面与反射镜面相交线的曲率半径,r2为弧矢面与反射镜面相交线的曲率半径,f为反射镜面中心点o到靶心的距离,l为反射镜上下端点间的距离,?是阳光对o点的入射角。通过几何计算,当入射到镜面上的阳光理想地会聚在靶心点时,r1应当满足下式:
  f=2)1/2)*r1*cos?
  求解式可得到对应于不同?值的最佳r1值。同样,在理想聚焦的情况下有:
  r2=2f*cos?
  从和式可知,在太阳运动过程中,要保证反射镜始终在靶心处聚焦就要随太阳入射角的变化而时刻调整r1和r2的大小,而r1和r2的变化趋势是当r1增大时r2减小,反之亦然。计算表明,如果满足上述条件,则此种反射镜可以获得的理论聚光比在10的四次方以上,已接近旋转抛物面反射镜在主光轴上聚焦时的聚光比。根据这种理论,提出了一种固定镜面形状的反射镜,它的r1和
  图4双向可变曲率半径方法示意图
  r2值是根据所使用条件下阳光入射
  角变化范围的中间值选取的。变
  化范围愈小,这种反射镜的聚光比就愈高,反之亦然。在阳光入射角的变化范围从0到75°时,它的聚光比仅仅达到3左右,而如果阳光入射角的变化范围很小时,它与旋转抛物面几乎没有什么区别,也可以达到104以上。详细计算请看参考文献——。这种双向可变曲率半径反射镜,其实可以对边界条件进行限定,将靶心位置选在与地球自转轴平行的极轴上,反射镜绕同一极轴以15°/小时的同步速度旋转,如果满足了这样两个边界条件,则入射角?在一天中的变化就微乎其微,而一年中的变化也不过是太阳赤纬角变化范围的一半,即56.75°-33.25°=23.5°,因此r1和r2的全年调整量很小,并且只须每隔5—7日调整一次,无论是反射镜的设计还是使用都是相当方便的,这一点已经被后来瑞士的斯开夫勒先生的研究工作所证明。
  几乎同时,在上世纪八十年代,斯开夫勒先生发明了一种称为scheffler反射镜的固定焦点式聚光反射镜。这种反射镜是在大型旋转抛物面上偏离主光轴处截取一块所需大小的面积,构成大偏轴的反射镜。它的优点是在反射镜跟踪太阳过程中,焦点位置固定不动。由此就可以设计出在户内使用的太阳灶。如图5所示,假设对应一年四季太阳的赤纬变化,有一系列主焦距各不相同的旋转抛物面,分别适用于不同的太阳赤纬,这些抛物面的主焦点都在f点,并且它们的表面都通过m点。斯开夫勒先生的设计思想就是让反射镜的镜面形状在这一系列抛物面之间变化来适应太阳赤纬的变化。为了简化易懂,图5中只给出代表夏至日、冬至日和两分日的抛物面的三条母线。取m点作为反射镜面的中心点,fm指向北极星,并且fm平行于地球的自转轴,让f点固定不动,m点也固定不动,反射镜绕fm以15°/小时的同步速度转动,以跟踪太阳的周日视运动,将入射到反射面上的阳光会聚到f点。图中线段f1、f2、f3分别为抛物面1、2、3的主焦距,同时也分别是它们的主光轴,s1、s2、s3分别是夏至日、两分日、冬至日入射到m点的太阳光线。而scheffler反射镜的设计思想就是当太阳位置随季节变化时,让反射镜的形状从1到3之间连续变化,于是就保证了反射镜在f点的聚焦。
  图5斯开夫勒反射镜的变形原理示意图
  实际的反射镜只是以m点为中心选取
  抛物面的一部分而不是整个抛物面。
  scheffler反射镜的镜面形状变化趋势与双向可变曲率半径反射镜相同,即当子午方向的曲率半径增大时,与之垂直的弧矢方向的曲率半径应当减小,反之亦然。因此,具体的调整方法,斯开夫勒先生给出的原则是:控制反射镜的5个关键点,即上、下端点,左、右端点和中心点。由于连续曲面的弹性使得它在子午和弧矢两个方向上互相牵制,当外力作用在一个方向上使其曲率半径增大或者减小时,另一个方向上就会产生相反的变化,这一变形的趋势和抛物面从1变到3或者从3变到1的趋势是一致的。因此,只要控制反射镜的上下两个端点,就可控制整个反射镜的形状。好在太阳赤纬在一天中的变化微不足道,所以只须每隔5—7日调整一次镜面形状即可。图6和图7为斯开夫勒反射镜的实物照片。用多片小镜片组成一面大的反射镜,通常所能达到的实际聚光比超过50。欲了解有关详情可登陆斯开夫勒先生的网站,网址为:
  parisonoftwosuntrackingmethodsinthe
  applicationofaheliostatfield.asmejournalofsolarenergyengineering,2004,
  126:638-644.
  chenyt,chongkk,limcs,etal.reportonthesecondprototypeofnon-imaging
  focusingheliostatanditsapplicationinfoodprocessing.solarenergy,2005,
  79:280-289.
  chenyt,limbh,limcs.off-axisaberrationcorrectionsurfaceinsolarenergy
  application.solarenergy,2006,80:268-271.
  chenyt,limbh,limcs.generalsuntrackingformulaforheliostatswitharbitra-
  rilyorientedaxes.asmejournalofsolarenergyengineering,2006,128;1-

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