复合抛物面聚光器的性能分析和应用研究

复合抛物面聚光器的性能分析和应用研究太阳能作为新能源,具有取之不尽用之不竭、绿色无污染等许多优点,但同时也具有能量密度小、光束质量差等问题。如果我们用一个绝对黑体来吸收地表的太阳辐射能,达到热平衡时的温度大约为1略低于水的沸点在许多应用中例如太阳能泵浦激光器、聚光类太阳能热发电等温度为1的热源的热动力效率很低而若想要得到一个有效的温度（例如不小于3010）用于产生能量,我们需要对太阳能进行高倍聚光。一般我们想到的聚光方法是采用成像光学系统对太阳光进行成像聚光,但是实际的成像光学系统由于像差的存在,不能有效地实现最大倍数的聚光。在光学系统中,成像和聚光是此消彼长的,只有放弃成像需求才能获得更高的聚光比,于是非成像聚光器应运而生。这类聚光器如果用于成像时,将会有非常大的像差;用于聚光时,远比成像系统更高效,并且可以通过特殊设计达到或者接近理论极限。本论文针对非成像光学聚光器中一个很典型的示例——复合抛物面聚光器,进行了性能分析;鉴于其优秀的聚光特性,本论文对复合抛物面聚光器的应用展开了一系列拓展性研究。首先介绍和分析了复合抛物面聚光器的结构特征和聚光性能,并给出了它在太阳能高倍聚光方面的应用:将复合抛物面聚光器与传统的成像聚光器组合,可以达到高倍聚光的目的。采用的技术路线是:将复合抛物面聚光器安置于抛物面镜的焦点处,并且满足复合抛物面聚光器的入口尺寸等于抛物面镜对入射光束成像的光斑大小、复合抛物面聚光器的最大接收角等于抛物面镜焦点处光束张角的一半。这样的两级聚光系统非常适用于太阳能泵浦激光器等领域。然后提出了复合抛物面聚光器在大型化方面的应用:设计了一个环形复合抛物面聚光器,加装到塔式太阳能热发电系统中的聚光环节,可以提高系统的发电效率。塔式太阳能热发电系统的发电效率是集热效率和热机效率的乘积,而提高系统的聚光比可以提高系统的集热效率,从而提高发电效率。现有的提高聚光比的两种思路是增加定日镜的数目或提高定日镜的跟踪精度,但是这两种方法的成本高而且后者技术难度高,所以本论文设计了一个环形复合抛物面聚光器,通过将它安装在集热塔顶部进行二次聚光来提高聚光比。通过仿真和实验分析得到,环形复合抛物面聚光器不仅提高了塔式太阳能热发电系统的发电效率,还能延长系统每日的发电时间,具有的经济效益是很可观的。接下来,提出了复合抛物面聚光器在微小型化方面的两个应用:（1设）计了一个基于复合抛物面聚光器的光纤耦合系统。光纤激光器是将多根光纤的输出光进行合束之后作为泵浦光耦合进另一根有源掺杂光纤,从而生成大功率激光的。为了保证好的光束质量,有源掺杂光纤的纤芯很细,合束后的泵浦源很难聚焦到芯部,因此需要合适的耦合系统。本文将复合抛物面聚光器作为耦合器件应用到光纤激光器中。仿真结果表明,合束后的光斑尺寸较大的泵浦源,经过复合抛物面聚光器耦合系统之后,光斑尺寸大大降低到与有源掺杂光纤的纤芯尺寸相匹配,并且能量大部分集中在有源掺杂光纤的数值孔径角度范围内,提高了耦合效率,可以用于大功率光纤激光器的泵浦光耦合注入实验中。（2利）用微型复合抛物面聚光器阵列改善焦平面探测器的性能。焦平面探测器的像元面由光敏面和死区组成,入射光照射到光敏面会发生光电效应,而入射到死区就不仅造成了浪费,长期下去还会对读出电路造成损害。而由于读出电路的设置,死区的大小受到了限制,没办法通过提高光敏面的大小来提高入射光的利用率。现有的解决办法是在像元面之前增加微透镜阵列,但是若入射光束发生偏移,会导致一部分光线偏移到死区,为了解决这个问题,本文提出用微型复合抛物面聚光器阵列来代替微透镜阵列。由于复合抛物面聚光器具有一个较大的接收角,即使入射光偏移一定角度,大部分光仍能有效地会聚到光敏面上,从而保持更高的光能利用率。根据仿真结果可以看到,微型复合抛物面聚光器阵列比微透镜阵列更有优势,这对于焦平面探测器性能的提高和探测器微、小型化的发展都具有重要意义。本文基于复合抛物面聚光器良好的聚光性能,提出的适用于塔式太阳能热发电系统的环形复合抛物面聚光器在国内和国际上都属于开创性的设计成果,对推动我国太阳能热发电技术的发展具有重要研