高倍率聚光器多场耦合行为及其多学科优化方法研究

聚光器是影响太阳能热利用效率的关键部件。由于受到流、固、光、热四种物理场的相互耦合作用，高倍率聚光器的高精度设计是目前聚光器设计的难点。项目首先通过对聚光器光学和力学特性分析，研究能流密度可均匀分布的点阵式聚光器设计方法；然后在分析流-固-光-热四场耦合关系和数据管理策略的基础上，分别建立电池板/集热管的热-固-光多场耦合模型和支架的流-固-光多场耦合模型，并将其再次耦合，建立流-固-光-热四场耦合模型，研究聚光器在多场耦合作用下的力学行为和光学特征；在此基础上，提出近似模型并联建模思想，针对流-固-光耦合模型和热-固-光耦合模型，建立其相应的神经网络近似模型，并研究其学习算法；最后建立系统两级优化框架，研究高效智能优化算法，利用多学科优化理论对系统进行多目标优化，并开展试验研究。通过以上研究，提出高倍率聚光器流-固-光-热四场耦合分析方法及其多学科优化方法，在理论上解决其高精度设计难题。

本项目围绕如何改善聚光器的聚光特性、降低系统重量等聚光器关键性能，利用多种技术手段，如粒子群优化技术、FLUENT和ANSYS有限元分析技术、SOLTRACE光学分析技术，研究了槽式聚光器各参数对聚光精度等的影响，提出了在一定聚光精度要求下的聚光器光学参数优化方法；研究了抛物槽式光伏聚光器能流聚光比分布不均匀的原因，分析了一种电池板呈V槽式的聚光器的能流密度分布，并用粒子群优化算法对其关键参数进行优化；在Eurotrough的基础上，基于变截面梁的思想和有限元分析技术，提出了一种具有变截面特征的聚光器设计方法；在此基础上，利用FLUENT流体动力学软件、ANSYS有限元分析软件和SOLTRACE光学分析软件，对聚光器进行了多场耦合联合仿真，分析了多场耦合作用下的聚光器变形行为和聚光精度。.本项目首次将多场耦合理论应用于聚光器聚光特性和力学行为进行分析与优化，提出了一种变截面聚光器的设计方法以及基于粒子群理论的聚光器优化设计技术。.本项目共计发表论文8篇（其中期刊论文5篇），获授权专利2项（其中1项为发明专利）。该研究成果揭示了聚光器聚光特性和光学特征，降低了聚光器重量与成本，提高了聚光精度，对于形成具有自主知识产权的太阳能聚光技术，发展低碳经济和人类可持续发展具有重要的理论意义和现实意义。