太陽(yáng)雨太陽(yáng)能集團(tuán)有限公司 ■ 陶濤 張景珊 李豪舉 張正 宋德勝

一 引言

隨著太陽(yáng)能聚光系統(tǒng)的發(fā)展，其幾何形式越來(lái)越復(fù)雜。為了更好地設(shè)計(jì)太陽(yáng)能聚光系統(tǒng)，用光線跟蹤法對(duì)其內(nèi)部光線分布進(jìn)行分析是非常必要的。進(jìn)行光線跟蹤分析的方法很多，例如根據(jù)聚光系統(tǒng)設(shè)計(jì)公式求出其形面上各點(diǎn)的坐標(biāo)。將各點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入AutoCAD中，得到聚光系統(tǒng)形面圖。在AutoCAD中，根據(jù)給定的入射角畫出入射光線，它們與聚光系統(tǒng)形面的交點(diǎn)即入射點(diǎn)；在入射點(diǎn)處畫出法線；根據(jù)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(shí)用、精確，但是步驟較繁瑣。隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行光線跟蹤分析已經(jīng)開(kāi)始廣泛應(yīng)用。

二 光學(xué)解析軟件

在光學(xué)系統(tǒng)建模中通過(guò)配置光源和評(píng)價(jià)面中的接收器，設(shè)定光源的形狀和位置、發(fā)光強(qiáng)度、配光分布和光譜分布等；并且設(shè)定所建光學(xué)模型材質(zhì)(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(jìn)行光線追蹤。

光學(xué)解析運(yùn)算采用蒙特卡洛法，為了滿足光源中設(shè)定的特性，隨機(jī)射出光線，每束光線發(fā)出時(shí)都擁有一定量的能量，能量的多少由光源的特性決定；隨機(jī)光束射入聚光系統(tǒng)后，結(jié)合模型中的光學(xué)特性(物理特性)，跟蹤每束光束在系統(tǒng)內(nèi)的傳播。當(dāng)其到達(dá)某表面時(shí)，光線的吸收與反射是隨機(jī)過(guò)程，并由根據(jù)該表面的反射性質(zhì)建立的相應(yīng)的概率模型確定其結(jié)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(xù)跟蹤反射光束，直到被反射面吸收或反射出聚光系統(tǒng)；當(dāng)光束強(qiáng)度可忽略時(shí)，此束光束可不需繼續(xù)追蹤。統(tǒng)計(jì)到達(dá)接收器的光束，最終輸出照度、亮度、配光、色度分布等的數(shù)值和各種表格[2,3]。

三 理想狀態(tài)下系統(tǒng)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(tǒng)模型。將三維建模軟件導(dǎo)出的IGES格式的文件導(dǎo)入光學(xué)解析軟件中，進(jìn)行光線追跡模擬。所謂理想狀態(tài)即聚光系統(tǒng)的對(duì)稱軸與光源中心軸重合?；蛘哒f(shuō)在實(shí)際運(yùn)行的裝置中，旋轉(zhuǎn)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(tǒng)三維模型

因此在光學(xué)軟件的參數(shù)設(shè)置中，選擇系統(tǒng)內(nèi)表面材料為鋁，反射性質(zhì)為鏡面反射，反射率為90%。入射光為一組平行于對(duì)稱軸的平行光束。這樣的設(shè)置就可達(dá)到理想狀態(tài)。因此所有由拋物面反射的入射光線會(huì)聚在焦點(diǎn)處，未偏離焦點(diǎn)。初始不帶能量的光線為300條，追跡運(yùn)算結(jié)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(dāng)其頂點(diǎn)與焦點(diǎn)重合時(shí)，可看到有部分關(guān)線是從接收器邊緣射出而沒(méi)有被吸收，所以當(dāng)接收器位置向上調(diào)節(jié)一定的距離，則所有的被反射的關(guān)系都可以被接收到。

圖2 理想狀態(tài)下的系統(tǒng)光線追跡圖

四 理想狀態(tài)下系統(tǒng)的光學(xué)訪真分析

圖3 光源光譜設(shè)定

圖4 接收器兩個(gè)平面的能流分布圖

上述分別對(duì)聚光系統(tǒng)在平行光線條件下，進(jìn)行追跡分析。上述運(yùn)算結(jié)果中每束光線發(fā)出時(shí)都沒(méi)帶有一定量的能量。下面將采用蒙特卡洛法進(jìn)行光學(xué)解析運(yùn)算，設(shè)定光源的能量為800W，發(fā)出10000束光線，其波長(zhǎng)范圍為315～2270nm，光譜分布類似于太陽(yáng)光譜；結(jié)合模型中的光學(xué)、物理特性進(jìn)行光線追蹤，最終考查接收器上的能流密度分布情況。

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

部分仿真結(jié)果如圖4所示，圖4a、4b分別為圖1所示接收器的左側(cè)、右側(cè)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(jié)論

利用光線追跡模擬的方法不僅可對(duì)太陽(yáng)能聚光系統(tǒng)的光學(xué)性能進(jìn)行分析，在太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)確定前，利用光線追跡模擬的方法可直觀、方便、快速地對(duì)初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行檢驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，節(jié)省設(shè)計(jì)、測(cè)試時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。

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