太陽能空調槽式聚光系統的光學分析

太陽雨太陽能集團有限公司 ■ 陶濤 張景珊 李豪舉 張正 宋德勝

一 引言

隨著太陽能聚光系統的發展，其幾何形式越來越復雜。為了更好地設計太陽能聚光系統，用光線跟蹤法對其內部光線分布進行分析是非常必要的。進行光線跟蹤分析的方法很多，例如根據聚光系統設計公式求出其形面上各點的坐標。將各點坐標導入AutoCAD中，得到聚光系統形面圖。在AutoCAD中，根據給定的入射角畫出入射光線，它們與聚光系統形面的交點即入射點；在入射點處畫出法線；根據鏡面反射定律，畫出該入射光線的反射光線[1]。雖然該方法較為實用、精確，但是步驟較繁瑣。隨著計算機的快速發展，利用計算機進行光線跟蹤分析已經開始廣泛應用。

二 光學解析軟件

在光學系統建模中通過配置光源和評價面中的接收器，設定光源的形狀和位置、發光強度、配光分布和光譜分布等；并且設定所建光學模型材質(折射率、吸收特性等)、表面特性(透射率、反射率)等屬性，便能正確進行光線追蹤。

光學解析運算采用蒙特卡洛法，為了滿足光源中設定的特性，隨機射出光線，每束光線發出時都擁有一定量的能量，能量的多少由光源的特性決定；隨機光束射入聚光系統后，結合模型中的光學特性(物理特性)，跟蹤每束光束在系統內的傳播。當其到達某表面時，光線的吸收與反射是隨機過程，并由根據該表面的反射性質建立的相應的概率模型確定其結果，若被該表面吸收，則停止跟蹤該束光線；若被該表面反射，則遵循反射定律以鏡面反射比的比例被反射，并需繼續跟蹤反射光束，直到被反射面吸收或反射出聚光系統；當光束強度可忽略時，此束光束可不需繼續追蹤。統計到達接收器的光束，最終輸出照度、亮度、配光、色度分布等的數值和各種表格[2,3]。

三 理想狀態下系統的光線追跡分析

首先在三維軟件上建模，得到如圖1所示的聚光系統模型。將三維建模軟件導出的IGES格式的文件導入光學解析軟件中，進行光線追跡模擬。所謂理想狀態即聚光系統的對稱軸與光源中心軸重合。或者說在實際運行的裝置中，旋轉角與俯仰角方向上不存在跟蹤誤差，并且反射面是完美鏡面，忽略反射面輪廓誤差、接收器位置誤差。

圖1 聚光系統三維模型

因此在光學軟件的參數設置中，選擇系統內表面材料為鋁，反射性質為鏡面反射，反射率為90%。入射光為一組平行于對稱軸的平行光束。這樣的設置就可達到理想狀態。因此所有由拋物面反射的入射光線會聚在焦點處，未偏離焦點。初始不帶能量的光線為300條，追跡運算結果，接收平面上的光線分布如圖2所示。截面為三角型的接收器，當其頂點與焦點重合時，可看到有部分關線是從接收器邊緣射出而沒有被吸收，所以當接收器位置向上調節一定的距離，則所有的被反射的關系都可以被接收到。

圖2 理想狀態下的系統光線追跡圖

四 理想狀態下系統的光學訪真分析

圖3 光源光譜設定

圖4 接收器兩個平面的能流分布圖

上述分別對聚光系統在平行光線條件下，進行追跡分析。上述運算結果中每束光線發出時都沒帶有一定量的能量。下面將采用蒙特卡洛法進行光學解析運算，設定光源的能量為800W，發出10000束光線，其波長范圍為315～2270nm，光譜分布類似于太陽光譜；結合模型中的光學、物理特性進行光線追蹤，最終考查接收器上的能流密度分布情況。

太陽輻射主要集中在可見光部分(0.4～0.76μm)，波長大于可見光的紅外線(＞0.76μm)和小于可見光的紫外線(＜0.4μm)的部分較少。在全部輻射能中，波長在0.15～4μm之間的占99%以上，且主要分布在可見光區和紅外區，前者占太陽輻射總能量的約50%，后者占約43%，紫外區的太陽輻射能很少，只占總量的約7%。因此設定的光源光譜要盡可能地與地表處的太陽光譜類似，如圖3所示。

部分仿真結果如圖4所示，圖4a、4b分別為圖1所示接收器的左側、右側吸收平面的能量密度分布圖。由圖4可看到光斑的變化。

五 結論

利用光線追跡模擬的方法不僅可對太陽能聚光系統的光學性能進行分析，在太陽能集熱系統的最終設計確定前，利用光線追跡模擬的方法可直觀、方便、快速地對初步設計方案進行檢驗，及時發現設計缺陷，節省設計、測試時間和經費。

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