碟式太阳能光热系统光-机-热多场耦合建模及其聚光性能预测应用

摘要

针对碟式光热系统中机械位移场对吸热腔能流分布的影响,提出以光-机-热多场耦合角度建立热腔能流分布数学模型。分析系统光机热多场耦合机制,确定不同位移场模式对聚光器的影响尺度。基于镜面单元的刚体假设,提出将宏观机械位移场(安装误差、跟踪误差和机架承载位移)作用等效为镜面单元的刚体系列运动,推导宏观机械位移场对镜面单元内任意点位置的影响矩阵,并引入面形误差得到了镜面各点法线矢量的影响矩阵。考虑机架承载后镜面单元与吸热器的空间位移协调性,基于光线跟踪方法,建立光能传输与腔式吸热器能流分布的光-机-热多场耦合数学模型。在Matlab 7.0平台编制能流分布求解及数据接口程序,融合Fluent 6.3和ANSYS 12.0搭建了聚光性能预测的仿真平台。并针对光线与热腔求交效率低,提出采用包围盒实现快速碰撞检测,且以多段锥曲面拟合并替代高次热管曲面的方法进一步加速求交计算。以在研的38 k W级碟式系统为实例,基于搭建的仿真平台开展典型风载工况与跟踪误差对热腔能流分布的影响,对仿真平台进行验证,为后续碟式机架面向聚光性能的综合优化提供理论基础。