線性菲涅爾反射式太陽能集熱系統(tǒng)的設(shè)計與試驗研究*

朱艷青，李育堅，王雷雷,2，鄧育軍，史繼富?，徐 剛?

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

線性菲涅爾反射式太陽能集熱系統(tǒng)的設(shè)計與試驗研究*

朱艷青1，李育堅1，王雷雷1,2，鄧育軍1，史繼富1?，徐 剛1?

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

本文研究了線性菲涅爾反射式太陽能集熱系統(tǒng)，基于幾何光學(xué)原理計算模擬了線性菲涅爾反射鏡鏡場和復(fù)合拋物面的接收系統(tǒng)，在減少末端損失的基礎(chǔ)上設(shè)計了系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，制作了線性菲涅爾反射式太陽能集熱系統(tǒng)的裝置，并進行了集熱性能的實驗測試。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在9倍聚焦倍率下，導(dǎo)熱油的最高溫度可達176.2℃，系統(tǒng)的平均瞬時熱效率約為53%，很好地實現(xiàn)了其集熱性能。

太陽能；線性菲涅爾；集熱性能；鏡場布置

0 引 言

隨著全球能源供應(yīng)問題日顯突出和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，太陽能中高溫?zé)崂眉夹g(shù)得到了人們越來越多的關(guān)注。目前太陽能中高溫集熱系統(tǒng)一般分為槽式和菲涅爾反射式太陽能集熱系統(tǒng)兩種[1,2]。相比于目前已經(jīng)得到商業(yè)化利用的槽式太陽能集熱系統(tǒng)，線性菲涅爾反射式太陽能集熱系統(tǒng)采用平面反射鏡，具有易于制造、價格低廉、反射鏡風(fēng)載低等優(yōu)點，其既可以為工業(yè)和家庭提供中高溫?zé)嵩矗部山ㄔ焯柲軣岚l(fā)電廠，在太陽能中高溫?zé)崂梅矫嬗泻艽蟮陌l(fā)展?jié)摿?。然而，目前線性菲涅爾反射式太陽能集熱系統(tǒng)存在相鄰鏡面的陰影和遮擋問題、末端損失問題，導(dǎo)致了系統(tǒng)效率較低，必須通過研究鏡面的優(yōu)化布置形式來提高系統(tǒng)效率；另外，經(jīng)濟高效的太陽能接收裝置也是提高系統(tǒng)效率的一個重要方面。目前對線性菲涅爾反射式太陽能集熱系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為了中高溫領(lǐng)域的前沿課題之一，具有十分重要的學(xué)術(shù)研究意義和非常廣闊的應(yīng)用前景。

本文對線性菲涅爾反射鏡鏡場進行了優(yōu)化設(shè)計，接收裝置采用了復(fù)合拋物面聚光器 + 接收管的形式，接收管采用熱性能最好的直通式金屬–玻璃套管，搭建了線性菲涅爾反射式太陽能集熱系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行了集熱性能的測試。

1 光學(xué)設(shè)計

1.1 復(fù)合拋物面聚光器設(shè)計

復(fù)合拋物面聚光器是一種根據(jù)邊緣光學(xué)原理設(shè)計的非成像聚光器，只要光線入射角小于其設(shè)計值，則可全部反射到接收管上[3-5]。如圖1所示，它由底部的圓漸開線（AFB）和上部的拋物線段（BC、AD）兩部分組成。因其為軸對稱結(jié)構(gòu)，對其進行計算時只需考慮一側(cè)的截面，可以得到復(fù)合拋物面聚光器的右半段的參數(shù)方程：

在圓的漸開線段中：

在拋物線段中：

圖1 復(fù)合拋物面Fig. 1 The compound parabolic collector

根據(jù)鏡場邊緣反射鏡反射光線作為最大入射角進行設(shè)計。本文中最大入射半角取180°，主要為了便于增加鏡場，擴大口徑，增加系統(tǒng)接收太陽光的面積。

1.2 線性菲涅爾反射鏡鏡場設(shè)計

線性菲涅爾反射鏡鏡場的優(yōu)化布置是提高系統(tǒng)效率的關(guān)鍵。鏡場優(yōu)化布置的關(guān)鍵是找出沒有遮擋的極限情況下，菲涅爾反射鏡鏡場各參數(shù)之間的關(guān)系[6-9]。鏡場南北布置，隨著單軸跟蹤器繞鏡場中心東西旋轉(zhuǎn)跟蹤太陽，接收裝置安裝在鏡場中心的一定高度的支架上。

圖2所示為線性菲涅爾反射鏡場的布置設(shè)計圖，所有反射鏡的傾斜角不同，相鄰反射鏡的間距不同，確保了太陽光能夠聚焦到接收器上，并且避免了相互遮擋。根據(jù)反射定律，可以得出鏡場重要參數(shù)的表達式：

式中，1≥n，其初始參數(shù)為Q0= 0，β0= 0，Q1= S1，根據(jù)上述遞推公式即可計算出整個菲涅爾反射鏡鏡場的參數(shù)。

圖2 線性菲涅爾反射鏡鏡場設(shè)計圖Fig. 2 The schematic design of mirror field layout of linear Fresnel reflector solar collector

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 末端損失

在北回歸線以北，太陽始終在南方，對于南北向水平放置的菲涅爾反射式太陽能集熱系統(tǒng)，如圖3所示，入射到反射鏡上的光有一部分是損失掉的，被稱為末端損失[2,9]。主要由末端影響因子Г對末端損失進行評價，其表達式為：

式中，Lend為末端損失長度，L為接收器總長度。末端影響因子Г值越大，則末端損失越小。

為了提高末端影響因子Г，減少末端損失，如圖3中所示，把反射鏡和接收器整體向南傾斜α角，則末端損失減少值LΔ為：

式中，lend為傾斜α角后的末端損失長度，H為接收器距離反射鏡的豎直高度，φ為入射太陽光與豎直面的夾角。

圖3 末端損失Fig. 3 The end loss energy

2.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖4 機械結(jié)構(gòu)簡圖Fig. 4 Mechanical structure diagram

為了減少上述的末端損失，設(shè)計了可以傾斜一定角度的機械結(jié)構(gòu)，如圖4所示。系統(tǒng)南北放置，繞軸在東西方向上轉(zhuǎn)動。系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸的低端通過鉸鏈與底架支座鏈接，轉(zhuǎn)軸的高端與推桿連接，可以調(diào)節(jié)傾斜的角度?？梢愿鶕?jù)不同的季節(jié)，調(diào)節(jié)角度，在一定程度上減少末端損失，提高系統(tǒng)效率。本文測試的時間為冬至左右，此時，廣州的太陽高度角比較低，測試時系統(tǒng)有15°的傾斜角，因此，本文測試的數(shù)據(jù)即為減少末端損失措施后的實驗數(shù)據(jù)。另外，如果水平放置，太陽光能夠達到接收器上的能量非常少，幾乎沒有光照，所以沒有進行測試。

3 性能測試試驗

根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)計，制作了線性菲涅爾反射式太陽能集熱系統(tǒng)的實驗裝置，如圖5所示，反射鏡鏡場由22塊規(guī)格為96 mm × 2000 mm × 5 mm的超白玻璃反射鏡組成，接收管采用熱性能良好的長為2000 mm的直通式金屬玻璃套管，包括口徑為70 mm的金屬內(nèi)接收管和口徑為100 mm的玻璃管，聚光倍率為9倍，實驗用導(dǎo)熱油的密度為820 kg/m3，比熱為2.5 kJ/(kg·℃)，循環(huán)體積流量6 L/min，導(dǎo)熱油的體積為80 L。本文的測試目的在于測試整個系統(tǒng)的效率以及系統(tǒng)的熱損系數(shù)，整個系統(tǒng)為一循環(huán)的閉環(huán)，因此設(shè)計了如下的測試實驗方法：實驗測試時，輻射傳感器以及PC-2太陽輻射記錄儀用來記錄太陽光的光強，其中輻射傳感器放在跟蹤支架上；多路溫度采集儀一路用于測量環(huán)境，另一路放在集熱器接收器的入口處，用于測量導(dǎo)熱油的入口溫度。

圖5 集熱系統(tǒng)的實驗裝置及測試儀器Fig. 5 Experimental device and test instrument of the collecting system

系統(tǒng)的傾斜角度為向南傾斜15°，測試時間為2013年11月25日9:00 ~ 13:30。當(dāng)日天氣晴，無持續(xù)風(fēng)向，且風(fēng)力 ≤ 3級。測試結(jié)果列于表1。

表1 集熱系統(tǒng)瞬時熱效率曲線測試數(shù)據(jù)Table 1 The tested date of curve of the collecting system instantaneous efficiency

圖6 集熱系統(tǒng)瞬時效率曲線Fig. 6 The efficient curve of the collecting system

擬合的瞬時效率方程[10]如下：

該效率方程的截距為0.69，熱損系數(shù)為

2.21 W/(m2·℃)，可以看出隨著溫度差值的增大，集熱效率逐漸減小。此熱損系數(shù)為整個系統(tǒng)的熱損失系數(shù)，包括真空管、管路、油罐等的熱損失，因此系統(tǒng)的保溫性能，尤其是管與管連接處的保溫的進一步提高，對系統(tǒng)效率的提高尤其重要。在9倍聚光倍率下，導(dǎo)熱油的最高溫度可達176.2℃，系統(tǒng)的平均瞬時熱效率約為53%，相比其他文獻中的數(shù)據(jù)[2,11]，此效率更高。隨著聚焦倍率的提高，系統(tǒng)的溫度繼續(xù)提高，可到達500℃，完全可以滿足人們對中高溫的需求，既可以為工業(yè)和家庭提供中高溫?zé)嵩矗部山ㄔ焯柲軣岚l(fā)電廠，具有很好的實際應(yīng)用價值。

4 結(jié) 論

本文在對線性菲涅爾反射鏡鏡場、接收系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計基礎(chǔ)上，制作了線性菲涅爾反射式太陽能集熱系統(tǒng)的裝置，并對該裝置進行了集熱性能測試實驗。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)在9倍聚焦倍率下，導(dǎo)熱油的最高溫度可達176.2℃，系統(tǒng)的平均瞬時熱效率約為53%，很好地實現(xiàn)了其集熱性能。本文的設(shè)計方法和測試結(jié)果對中高溫集熱的應(yīng)用和發(fā)展具有重要的參考價值。

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Design and Experimental Study on Linear Fresnel Reflector Solar Collector System

ZHU Yan-qing1, LI Yu-jian1, WANG Lei-lei1,2, DENG Yu-jun1, SHI Ji-fu1, XU Gang1

(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

In this paper linear Fresnel reflector solar collector system was studied. Based on the principle of geometrical optics, the mirror field layout and compound parabolic collector were calculated. The mechanical structure of the system was designed to reduce end loss energy, and the linear Fresnel reflector collector device was made. The solar collecting performance was tested. The experimental results show that the maximum temperature of the heat transfer oil is 176.2°C with the concentration ratio of 9 times. The averageinstantaneous efficiency of the system is 53%, which achieves a good solar collecting performance.

solar energy; linear Fresnel; solar collecting performance; mirror field layout

TK519

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.02.006

朱艷青（1983-），女，碩士，助理研究員，主要從事聚光太陽能利用技術(shù)的研究與開發(fā)。

2095-560X（2014）02-0117-05

2014-02-24

2014-04-23

廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項目（2012B091100204）；中國科學(xué)院廣州能源研究所所長創(chuàng)新基金培育專項（y307p81001）；廣東省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)項目（2011A032304003）

? 通信作者：徐 剛，E-mail：xugang@ms.giec.ac.cn；史繼富，E-mail：shijf@ms.giec.ac.cn

史繼富（1982-），男，博士，副研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事熱管式真空集熱管的研究與開發(fā)。

徐 剛（1970-），男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院“百人計劃”項目引進人才，主要從事太陽能光熱、光電納米復(fù)合材料的研究與開發(fā)。