学生交流分享
赴法阿尔比高等矿业学校交流总结——朱瑞迪
时间:2018-09-14 来源:研究生思政办 编辑:yjsszcse 访问次数:3455

我是在百花争妍的时节出发的。出发那天下午,我倚在前往上海的高铁的门口,看着旖旎风光追赶着倒退,匆匆告别了杭州的春天。一个人走在异国他乡陌生的街道,我眼里是新奇,心中是忐忑。塔恩河畔,日暮红墙,我的法国学习之旅开始了。

我交流学习的学校是法国阿尔比-加莫国立高等矿业学校(法语:école Nationale Supérieure des Mines d'Albi-Carmaux),简称“阿尔比高等矿业学校”,成立于1992年,是一所法国精英式高等教育体制中的工程师学校。学校是法国国立高等矿业电信学校联盟(法语:Institut Mines-Télécom,缩写IMT)的成员之一。法国国立高等矿业电信学校联盟是法国最大的、以培养精英人才著称的工程师“大学校”集团之一。它是在创立于1996年的法国电信学校联盟(GET)的基础上,于2012年联合了法国多所高等矿业学校而成立的。阿尔比矿业学校成立于1992年,隶属于法国工业部,是一所高等教育和研究中心。在短暂的发展历程中,学校高度重视教育理念、技术培养和学生的未来发展。目前在法国设有1个研究院,3个研究生院,7个学院校区,在校生约5000名,其中10%为国际学生,其中1000名工程师硕士学位和300个博士学位。

阿尔比-加莫国立高等矿业学校是一所以工艺工程为基础教学支柱的全科工程师学校,设有工程师、硕士、博士专业及继续教育课程,开设有生物健康工程、生态活动与能源、工业工程与信息系统进程、先进材料与结构工程、药剂师-工程师等专业。阿尔比-加莫国立高等矿业学校与企业需求紧密结合,并以多种形式参与企业项目,包括协助创办企业、市场需求与工艺研究、产品创新研究、毕业设计等。学校始终关注国际工业领域的最前沿,致力于培养专业知识扎实,充满热情,倡导创新的工程师,其已收获广泛好评及多方赞誉。

我所在的实验室RAPSODEE (Research in Albi on Particulate Solids, Energy and the Environment)与中国,美国,爱尔兰,哥伦比亚等国有深刻密切的合作关系,致力于能源,环境和颗粒固体科学与技术。RAPSODEE实验室已被法国政府授予能源转换科学卓越研究中心(在法国仅有10%的研究实验室有此荣誉),并拥有先进的热能技术,可将废物和生物质材料转化为能量载体并使用。他们开发Val-thera系统,一个研究与创新实验,专门开发用于回收生物质加工残留物和副产品的节能热工艺。它可以令无论规模大小的公司都能实施其研究和开发计划,以实现农业,林业,农业食品或工业产品的价值增值。我的工作是对Val-thera系统的供能部分进行有关聚光发电方面的研究。Val-thera作为一个进行热过程开发的技术平台。它的供能部分为一个小型的、带有二次反射的太阳能聚光发电系统。其中主反射镜由64块角度、曲率可调的小镜组成,用来聚焦光线;二次反射镜是一个与地面成角45°的平面镜,用以改变光路使光线汇聚到指定目标接收器处。

很荣幸很感激我的导师倪东教授为我提供机会认识法国阿尔比-加莫国立高等矿业学校的Mouna El Hafi教授,Mouna教授在蒙特卡洛算法,热传导热辐射等领域都有很深刻的研究。她的耐心指导与帮助给了我莫大的鼓励与关怀。我也被她对待学术科研的积极与严谨的态度深深影响着。在进行研究的过程中,Mouna El Hafi老师和她的团队Jean Jacques Bézian和Simon Eibner老师都对我进行了亲切认真的指导。 并且十分感谢倪东老师在我出国期间依然坚持与我定期沟通,并为我科研上的问题答疑解惑。

在这四个月里,我在几位老师的指导下对Solstice仿真软件进行了学习并利用该软件对Val-thera聚光发电系统的主反射镜进行了优化与仿真。Val-thera 聚光发电系统主要由两个反射器和一个接收器组成,它的主反射镜由64面大小为0.5m*0.5m的小镜子组成,每个小镜子的摆放角度和自身曲率都是可调的。二次反射镜是一个与水平面成45度的平面镜,目的是通过改变光路使光束尽可能垂直地到达水平平面的目标接收器上。太阳光与地面的夹角跟随太阳位置发生变化。太阳高度角随着一年四季更迭改变,而方位角随着一天中不同时刻改变。SOLSTICE应用Monte-Carlo算法,计算太阳能聚光发电系统收集的能量和目标接受器上的通量分布,并分析反射器的效率和损耗部分,包括余弦效应和阴影效应。通量测绘图是由SOLSTICE的后处理工具计算出来的,其输出是VTK文件,需用Paraview软件进行可视化操作。为了保证太阳光能够尽可能地到达目标,经过系统中主反射镜中心的入射光线总是被直接反射到二次镜的中心,而不受太阳位置变化的影响。因为光斑需要令光线聚焦,主反射镜的结构基础是抛物面镜。一束平行光线垂直于抛物面镜的中心入射,反射光线将聚焦到焦点上。入射光线与镜面主轴的夹角越小,聚焦效果越好。冬至日时,太阳高度角达到最小值。在主反射镜焦距为22.5m不变的情况下,从冬季到夏季随着太阳高度角的增加,光斑也逐渐扩散。因此,找到一个适合的主反射镜设计,使夏季甚至全年都能得到一个良好的光斑是非常有必要的。为了简化与理解问题,找出反射镜在八个不同方向上生成光斑的位置和形状是如何变化的,这里将主镜被分成9块,每个块代表一个方向。首先,保持每个部分的旋转角度不变,以0.5m为步长改变焦距。从输出通量绘图中可以找到一个形态最好、能量最高的光斑,将其对应的焦距作为每个部分的固定焦距参数。然后调整x轴和y轴上的旋转角度,聚集9个分散各处的光斑,使之形成一个更集中的点。虽然旋转角度的变化对能量有一定的影响,但由于数值很小,此影响可以忽略不计。除了对主镜进行9块分区的形式,直接优化64个小镜子也是可行的。需要进行搜索的参数组合太多,可以采用粒子群优化算法。主反射镜最终产生的光斑可以看作是每个小反射镜产生的光斑的叠加。因此,可以逐个优化每个小镜,每次只需要调整三个参数:焦距,x轴旋转角度和y轴旋转角度。优化目标是使每个小镜生成的光斑能量尽可能大,且分布在一个位于目标中心区域20 cm* 20cm的方框内。也就是说,方框内的通量总和必须尽可能大而方框外的通量总和必须尽可能小。因此,选取方框内外总通量的差值作为目标函数,求取最大值。无论是调整分块模型还是64面小镜模型,主反射镜在仅对某一个太阳位置进行布局优化所得主镜在其他太阳位置生成的光斑能量都会有所降低。对春分进行优化的主反射镜布置会使光斑在冬至和夏至扩散,且最大通量低于春分时的最大通量。然而,除了夏季以外的季节它仍然比使用优化夏至日的主反射器布局生成光斑的效果好。64面小镜的优化要比分块模型的优化复杂得多,但仿真结果也要平均得多,特别是对光斑形状的优化表现更好。之后,也可以将冬至,夏至和春分光斑的总通量适当加权获得一个新函数作为优化目标,其中包含所有典型日期的光斑的特点,以优化和更新适用于全年的主反射器的最优姿态。

聚光发电作为太阳能发电的一种形式,因为其利用丰富的可再生资源与产生极少的污染,拥有很广阔的应用前景。设计出高效可用的聚光发电系统对当今世界的科学研究来说是既是机遇也是挑战。Val-thera选用聚光发电系统作为供能部分,得到适用的反射器镜面布局,生成足够能量的光斑,会有广泛的应用平台,也为Val-thera后续的热处理实验提供动力。

这次在法国交流学习,让我对聚光发电又有了新的认识,也温习了很多光学基础知识,熟练掌握了SOLSTICE仿真软件,结合理论与实践,对小型聚光发电系统的反射器进行探究与优化,通过这次实践,积攒了经验。也能够更高效地投入到后续更大更复杂的青山湖基地塔式太阳能发电系统镜场的控制策略研究中。

没有高楼人烟稀少的小镇生活安静祥和,人们的生活节奏更慢,对待生活与他人也更有耐心。这四个月也对我的人生态度产生了影响。Mouna老师曾多次问我是否真正喜欢太阳能这个方向,兴趣,是科研的第一条件。当我们真心喜欢所从事的工作的时候,我们会更加珍视它们,并为它们负责。科学研究也需要一颗真心。学习和娱乐都是人生的部分,是生活的调味品。当我们过分强调学习或工作在生活中的地位的时候,我们往往会感到痛苦与排斥,压力在无形当中就被放大。但事实上生活中需要学习,也需要娱乐,它们的关系应是平等的而不是后者是前者的缓冲。以放松的心态去看待学习与工作,喜欢自己的学习与工作,平衡学习与娱乐的关系,以真心的爱去面对万事万物,才能更好地更精神饱满地享受生活。

返校后,我将继续在IACLAB与我的导师倪东教授进行研究。整合在法国学习到的关于聚光发电的相关理论知识与SOLSTICE仿真实验基础,设计合理高效的算法,继续延展并深入优化对Val-thera系统单个反射镜优化的研究,整理研究结果进行论文撰写,并且将其结果拓展应用到更为复杂的青山湖基地塔式聚光发电镜场。针对青山湖塔式镜场的四个孔径不同的接收器,设计出适合不同工况的控制策略与操作方案,并对此利用SOLSTICE进行仿真实验,再通过实地现场实验对控制策略进行修正与改进,提高模型的准确性和适用性。

这次有幸得到机会可以去法国进行交流学习,让我开阔了视野。中方与法方老师都对我给予最耐心的指导,为我的研究课题提供最详尽的建议,让我受益无穷。作为一个刚刚正式接触科学研究的新人,老师们的指导为我的研究指明了方向,令我少走了许多弯路,在我遇到困难时为我提供最慷慨的帮助,让我的研究可以顺利进行。我学习到了科学研究中提出问题,分析问题,解决问题,验证结果的思路与方法,在失败与改进中不断追求与探索,我深刻体会到了科学研究的乐趣,与我的研究方向聚光发电的乐趣与意义。此次训练也让我认识到好的科研态度与品质的重要性,对问题一丝不苟与对结果不断质疑是对课题与自己负责,在接下来的工作中,秉着对课题与自己负责的态度,我会努力将学到的所有知识举一反三,会做到有始有终,对课题的研究做到尽善尽美,不辜负老师们的悉心指导。

十分感谢浙江大学为我的路费和在国外的生活提供经费支持,这段海外学习生活经历让我学到了很多生活技能,科研技能,增长了见识,锻炼了能力,给了我一段毕生难忘的回忆。感激老师们以及那里的同学们给予我的无私帮助,我将铭记于心,谢谢!





朱瑞迪

2018.9.13