Программа расчета и оптимизации параметров

Программа расчета и оптимизации параметров профиля линз Френеля

НАЗНАЧЕНИЕ

Программа оптимизации параметров профиля круговых линз Френеля с плоскими рабочими гранями предназначена для определения углов наклона и высот всех зубцов линзы и матрицы, для обеспечения максимального концентрирования солнечного излучения при заданных пользователем конструктивных параметрах линзы и требованиях к ее энергетической эффективности.

Для линзы с оптимальным профилем программа позволяет рассчитать зависимость оптического КПД системы «линза-приемник» от размеров солнечного элемента и угла разориентации.

ОПИСАНИЕ ПРОГРАММЫ

В программе реализована имитационная математическая модель расчета оптико-энергетических характеристик (ОЭХ) линз Френеля, основанная на методе прослеживания прямого хода солнечных лучей через линзу к приемнику. Модель позволяет учитывать влияние на ОЭХ линз следующих факторов:

Модель, реализованная в программе, предназначена для расчета линз квадратной в плане формы и двух видов приемников (СЭ): круглой и квадратной формы. К числу конструктивных параметров линзы, задаваемых пользователем, относятся: размер стороны, фокусное расстояние, шаг профиля (постоянный), толщина несущего слоя. Все расчеты производятся для условий освещения линз солнечным излучением со спектром, задаваемым пользователем в табличном виде (вместо солнечного спектра можно использовать спектр другого источника, например, имитатора солнечного излучения). Расчеты могут быть выполнены как для линз с защитном стеклом, так и без него.

Поток падающего излучения имитируется большим количеством конических пучков лучей с телесным углом, соответствующим видимому угловому размеру Солнца. Пучки располагаются на входной поверхности стекла (или линзы, если стекла нет) случайным образом в соответствии с равномерным законом распределения. Угол меду осью конического пучка лучей солнечных лучей и оптической осью линзы определяется заданной точностью ориентации концентрирующей системы на Солнце. Через каждый конечный элемент входной апертуры прослеживается ход 1280 лучей, что соответствует 64 точкам на солнечном диске и 20 длинам волн спектра его излучения для каждой точки диска. Общее количество прослеживаемых лучей составляет более 2 млн. (с возможностью увеличения до 3,2 млн. при некотором снижении скорости вычислений), что позволяет корректно учитывать особенности спектра источника излучения, геометрию зубцов профиля линзы и моделировать ее хроматическую аберрацию (рис. 1).

Моделирование осуществляется в два этапа.

На первом этапе с использованием процедуры оптимизации определяется профиль линзы (и матрицы), позволяющий минимизировать отрицательное влияние хроматической аберрации на концентрирующую способность системы «линза-приемник» (ячейки) при ее заданной эффективности.

На втором этапе для линзы с оптимальным профилем, задавая размер и форму солнечного элемента, находящегося в фокальной плоскости линзы Френеля, и угол разориентации, можно определить как влияют эти параметры на коэффициент концентрации и оптический КПД системы «линза-солнечный элемент».


Рис. 1. Схема прохождения световых лучей через преломляющие поверхности линзы Френеля.

КРИТЕРИЙ ОПТИМИЗАЦИИ

Максимальная средняя кратность концентрирования солнечного излучения в фокальном пятне минимального размера при обеспечении высокого значения оптического КПД системы «линза –приемник».

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ

Результаты расчетов по первому и второму этапам исполнения программы представляются в едином выходном файле, который содержит:

  1. Таблицу углов наклона и высот зубцов профиля линзы, обеспечивающего максимальную концентрацию излучения в фокальном пятне, содержащем заданную пользователем часть мощности излучения, прошедшего через линзу `h.

  2. Значения параметров, характеризующих интегральную эффективность системы, включающей оптимальную линзу и приемник, размеры которого определяются исходя из заданного пользователем значения `h:
    • среднюю концентрацию в пятне, содержащем заданную пользователем часть мощности излучения, прошедшего через линзу `h;
    • радиус этого пятна rh;
    • абсолютную оптическую эффективность системы, включающей спроектированную оптимальную линзу и приемник радиусом rh.

  3. Значения параметров, изменяющихся по радиусу пятна r:
    • локального коэффициента концентрации Ке в двух сечениях: по оси, проходящей через центр пятна и параллельной одной из сторон линзы (сечение 1) и по оси, проходящей через центр пятна и параллельной диагонали линзы (сечение 2);
    • среднего коэффициента концентрации в пятне радиуса r   -   Кs(r);
    • доли мощности в пятне радиуса r относительно мощности излучения, прошедшего через линзу - `h(r);
    • доли мощности в пятне радиуса r относительно мощности излучения, падающего на входную поверхность линзы - habs(r).
    Локальные и средние коэффициенты концентрации приводятся как в абсолютных единицах плотности светового потока (мВт/мм2), так и в относительных единицах кратности концентрирования излучения (Солнцах).

  4. Значения параметров, характеризующих интегральную эффективность системы, включающей оптимальную линзу и приемник, размеры и форма которого непосредственно задаются пользователем:
    • среднюю концентрацию на приемнике, заданном пользователем;
    • абсолютную оптическую эффективность системы, включающей спроектированную оптимальную линзу и заданный пользователем приемник.

  5. Карту распределения локального коэффициента концентрации в центральной, наиболее интенсивно засвеченной части пятна.

  6. Набор служебных параметров, необходимых для сопряжения данной программы с программой расчета концентрирующей системы с вторичной оптикой.
Назад в каталог

 

194021, Санкт-Петербург,
ул. Политехническая, 26
+7 (812)
binardi
Сайт сделан в binardi