復(fù)合拋物面聚光器的性能分析和應(yīng)用研究

復(fù)合拋物面聚光器的性能分析和應(yīng)用研究太陽能作為新能源,具有取之不盡用之不竭、綠色無污染等許多優(yōu)點(diǎn),但同時也具有能量密度小、光束質(zhì)量差等問題。如果我們用一個絕對黑體來吸收地表的太陽輻射能,達(dá)到熱平衡時的溫度大約為1略低于水的沸點(diǎn)在許多應(yīng)用中例如太陽能泵浦激光器、聚光類太陽能熱發(fā)電等溫度為1的熱源的熱動力效率很低而若想要得到一個有效的溫度（例如不小于3010）用于產(chǎn)生能量,我們需要對太陽能進(jìn)行高倍聚光。一般我們想到的聚光方法是采用成像光學(xué)系統(tǒng)對太陽光進(jìn)行成像聚光,但是實(shí)際的成像光學(xué)系統(tǒng)由于像差的存在,不能有效地實(shí)現(xiàn)最大倍數(shù)的聚光。在光學(xué)系統(tǒng)中,成像和聚光是此消彼長的,只有放棄成像需求才能獲得更高的聚光比,于是非成像聚光器應(yīng)運(yùn)而生。這類聚光器如果用于成像時,將會有非常大的像差;用于聚光時,遠(yuǎn)比成像系統(tǒng)更高效,并且可以通過特殊設(shè)計達(dá)到或者接近理論極限。本論文針對非成像光學(xué)聚光器中一個很典型的示例——復(fù)合拋物面聚光器,進(jìn)行了性能分析;鑒于其優(yōu)秀的聚光特性,本論文對復(fù)合拋物面聚光器的應(yīng)用展開了一系列拓展性研究。首先介紹和分析了復(fù)合拋物面聚光器的結(jié)構(gòu)特征和聚光性能,并給出了它在太陽能高倍聚光方面的應(yīng)用:將復(fù)合拋物面聚光器與傳統(tǒng)的成像聚光器組合,可以達(dá)到高倍聚光的目的。采用的技術(shù)路線是:將復(fù)合拋物面聚光器安置于拋物面鏡的焦點(diǎn)處,并且滿足復(fù)合拋物面聚光器的入口尺寸等于拋物面鏡對入射光束成像的光斑大小、復(fù)合拋物面聚光器的最大接收角等于拋物面鏡焦點(diǎn)處光束張角的一半。這樣的兩級聚光系統(tǒng)非常適用于太陽能泵浦激光器等領(lǐng)域。然后提出了復(fù)合拋物面聚光器在大型化方面的應(yīng)用:設(shè)計了一個環(huán)形復(fù)合拋物面聚光器,加裝到塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的聚光環(huán)節(jié),可以提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率是集熱效率和熱機(jī)效率的乘積,而提高系統(tǒng)的聚光比可以提高系統(tǒng)的集熱效率,從而提高發(fā)電效率。現(xiàn)有的提高聚光比的兩種思路是增加定日鏡的數(shù)目或提高定日鏡的跟蹤精度,但是這兩種方法的成本高而且后者技術(shù)難度高,所以本論文設(shè)計了一個環(huán)形復(fù)合拋物面聚光器,通過將它安裝在集熱塔頂部進(jìn)行二次聚光來提高聚光比。通過仿真和實(shí)驗(yàn)分析得到,環(huán)形復(fù)合拋物面聚光器不僅提高了塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率,還能延長系統(tǒng)每日的發(fā)電時間,具有的經(jīng)濟(jì)效益是很可觀的。接下來,提出了復(fù)合拋物面聚光器在微小型化方面的兩個應(yīng)用:（1設(shè)）計了一個基于復(fù)合拋物面聚光器的光纖耦合系統(tǒng)。光纖激光器是將多根光纖的輸出光進(jìn)行合束之后作為泵浦光耦合進(jìn)另一根有源摻雜光纖,從而生成大功率激光的。為了保證好的光束質(zhì)量,有源摻雜光纖的纖芯很細(xì),合束后的泵浦源很難聚焦到芯部,因此需要合適的耦合系統(tǒng)。本文將復(fù)合拋物面聚光器作為耦合器件應(yīng)用到光纖激光器中。仿真結(jié)果表明,合束后的光斑尺寸較大的泵浦源,經(jīng)過復(fù)合拋物面聚光器耦合系統(tǒng)之后,光斑尺寸大大降低到與有源摻雜光纖的纖芯尺寸相匹配,并且能量大部分集中在有源摻雜光纖的數(shù)值孔徑角度范圍內(nèi),提高了耦合效率,可以用于大功率光纖激光器的泵浦光耦合注入實(shí)驗(yàn)中。（2利）用微型復(fù)合拋物面聚光器陣列改善焦平面探測器的性能。焦平面探測器的像元面由光敏面和死區(qū)組成,入射光照射到光敏面會發(fā)生光電效應(yīng),而入射到死區(qū)就不僅造成了浪費(fèi),長期下去還會對讀出電路造成損害。而由于讀出電路的設(shè)置,死區(qū)的大小受到了限制,沒辦法通過提高光敏面的大小來提高入射光的利用率?，F(xiàn)有的解決辦法是在像元面之前增加微透鏡陣列,但是若入射光束發(fā)生偏移,會導(dǎo)致一部分光線偏移到死區(qū),為了解決這個問題,本文提出用微型復(fù)合拋物面聚光器陣列來代替微透鏡陣列。由于復(fù)合拋物面聚光器具有一個較大的接收角,即使入射光偏移一定角度,大部分光仍能有效地會聚到光敏面上,從而保持更高的光能利用率。根據(jù)仿真結(jié)果可以看到,微型復(fù)合拋物面聚光器陣列比微透鏡陣列更有優(yōu)勢,這對于焦平面探測器性能的提高和探測器微、小型化的發(fā)展都具有重要意義。本文基于復(fù)合拋物面聚光器良好的聚光性能,提出的適用于塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)形復(fù)合拋物面聚光器在國內(nèi)和國際上都屬于開創(chuàng)性的設(shè)計成果,對推動我國太陽能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展具有重要研