線性菲涅耳集熱器接收器對鏡場的遮擋研究*

徐 眾，萬書權(quán)，韓洪波，劉黔蜀

（1. 攀枝花學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000；2. 太陽能技術(shù)集成及應(yīng)用推廣四川省高校重點實驗室，四川 攀枝花 617000）

線性菲涅耳集熱器接收器對鏡場的遮擋研究*

徐 眾1,2?，萬書權(quán)1，韓洪波1，劉黔蜀2

（1. 攀枝花學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000；2. 太陽能技術(shù)集成及應(yīng)用推廣四川省高校重點實驗室，四川 攀枝花 617000）

帶有二次反射器的線性菲涅耳聚光集熱器，雖然其接收器表面的能量分布更均勻，但也增加了接收器對反射鏡場的遮擋。本文采用理論計算和模擬兩種方式對已設(shè)計的線性菲涅耳集熱器二次反射器對鏡場的遮擋情況進(jìn)行分析，先通過理論計算得出二次反射器對西邊三塊初級反射鏡遮擋角θni的范圍，然后利用光線追蹤軟件模擬出安裝和不安裝二次反射器兩種情況下到達(dá)初級反射鏡的光線數(shù)目，根據(jù)光線數(shù)目變化情況得出西邊三塊反射鏡的遮擋角變化范圍分別為70°～90°、54°～72°和42°～58°，同時引入光線損失率來衡量二次反射鏡對鏡元遮擋的影響，結(jié)果得出安裝二次反射器后鏡元光線損失率最大值達(dá)到23.53%。

線性菲涅耳集熱器；接收器；遮擋；遮擋角

0 引 言

太陽能低溫利用技術(shù)已較為成熟，以太陽能熱水器為代表，中高溫利用則因成本較高而無法實現(xiàn)推廣。中高溫利用主要集中于聚光發(fā)電如槽式聚光、碟式聚光和塔式聚光等，成本普遍偏高，開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低的聚光器迫在眉睫，小型菲涅耳集熱器就屬于這一類型。尤其在中高溫（100℃～300℃）段，不但可以發(fā)揮菲涅耳集熱器成本低的優(yōu)勢，而且還具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益[1]。國內(nèi)的杜春旭、王普和馬重芳等人對一次線性菲涅耳反射式集熱器的跟蹤[1]、鏡場輻射量[2]、鏡場遮擋[3]和聚光比[4]進(jìn)行了詳細(xì)的研究；浦紹選則對帶有新型反射器的線性菲涅耳集熱器的光學(xué)設(shè)計[5]、端部損失[6]和能損[7]進(jìn)行了分析；趙金龍等[8]對聚光器的聚焦光斑能流密度分布進(jìn)行了理論計算；馬宏財?shù)萚9]采用蒙特卡羅法對聚光接收器的布局及形狀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，然而接收器對鏡場的遮擋研究卻鮮有報道。本文采用理論計算和模擬相結(jié)合的方式對小型線性菲涅耳集熱器接收器對鏡場的遮擋進(jìn)行分析。

1 線性菲涅耳集熱器結(jié)構(gòu)介紹

1.1 初級反射鏡初始角的確定

正午太陽垂直入射時計算出初級反射鏡的初始角，其聚光原理見圖1。由圖1中的幾何關(guān)系確定初級反射鏡的初始角計算式：

式中：βn是第n塊初級反射鏡與水平面之間夾角；nλ是第n塊初級反射鏡的反射角；dn是第n塊初級反射鏡到鏡場中心的距離；H是真空管中心到反射鏡場中心的距離。

將相關(guān)參數(shù)代入式（1）計算得出1～3號初級反射鏡的初始角見表1，1～3號與4～6號反射鏡屬于對稱分布。規(guī)定反射面向西βn取正，向東取負(fù)。圖中R是反射光線單位矢量，S表示太陽光入射單位矢量， N表示鏡元法線單位矢量。

圖1 太陽垂直入射時鏡場的分布Fig. 1 Distribution of mirror field in the case of light vertical incidence

表1 初級反射鏡的初始角（H=1 500 mm）Table 1 Initial angle of primary mirror (H=1 500 mm)

1.2 集熱器結(jié)構(gòu)

線性菲涅耳集熱器主要由初級反射鏡、跟蹤器、二次反射鏡、真空直通管和支架構(gòu)成。其中，初級反射鏡場由長500 mm、寬100 mm的小平面鏡按菲涅耳聚光方式以一定角度拼接而成6個初級反射鏡模塊組成，鏡場的長和寬分別為6 000 mm和2 950 mm，初級反射鏡模塊端部安裝太陽能跟蹤器；吸收體由三根有效長度為2 000 mm（含兩端接口長為2 120 mm）的真空直通管串聯(lián)而成；二次反射鏡由兩塊鋁合金制作的1/4圓弧構(gòu)成（半徑為70 mm），二次反射器的安裝見圖2，采用文獻(xiàn)[10]中的計算方式得出二次反射鏡的開口寬度l為180 mm[11]。圖中H為真空管中心到鏡場中心的距離（取1 500 mm），r為真空管外管半徑（取60 mm），w為初級反射鏡鏡面寬度（取409 mm）。由于設(shè)計過程并未考慮二次反射器對初級反射鏡的遮擋，因此需要通過模擬計算來衡量二次反射器對初級反射鏡的遮擋情況，為集熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

圖2 接收器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig. 2 Structure parameter diagram of receiver

2 接收器對鏡場的遮擋計算

集熱器鏡場采用東西對稱放置，所以只對鏡元4、5、6的遮擋情況進(jìn)行分析，見圖3。初級反射鏡元由很多塊小平面鏡組成，而小平面鏡采用菲涅耳分布，因此不在同一平面內(nèi)，計算時忽略這一影響因素，即每一個初級反射鏡上的小平面鏡都處于同一平面內(nèi)，二次反射鏡與真空管之間距離小于10 mm計算時忽略，即二次反射器與真空管直接接觸。

圖3a中的5θ＇是假設(shè)在沒有接收器時，光線從原接收器頂端位置照射到初級反射鏡5中心時所對應(yīng)的角度（用于編程計算角度θni時使用）；θ5A為假設(shè)將接收器近似看作一個豎直放置的長方體，當(dāng)一束平行光線照射到接收器時，通過其最低點的一束光線產(chǎn)生的陰影恰好落到初級反射鏡5的頂端時，接收器的陰影開始靠近鏡元5；θ5B為假設(shè)將接收器近似看作一個豎直放置的長方體，當(dāng)一束平行光線照射到接收器時，通過其最頂端的一束光線產(chǎn)生的陰影恰好落到初級反射鏡5的底端時，接收器的陰影開始遠(yuǎn)離鏡元5；βn0為第n塊初級反射鏡的初始角（見表1）。

由圖3a的幾何關(guān)系可以得出式（2），將相關(guān)參數(shù)代入式（3）即可計算出4θ＇、5θ＇和6θ＇的值，見表2。

圖3 接收器對鏡場的遮擋情況分析Fig. 3 Analysis of mirror field shelter from receiver

表2 中心遮擋角Table 2 Center shielding angle

從圖1、圖3b和圖3c中的幾何關(guān)系可以得出式（4）和式（5）：

式中，βn可以根據(jù)式（6）計算出，而式（6）中的βn0的值如表1所示，初級反射鏡元的寬度w取409 mm，R為二次反射鏡圓弧半徑取70 mm。

采用Visual Basic 6.0編程計算得出接收器對鏡元4、5、6遮擋角范圍如表3所示。

表3 遮擋角的理論計算結(jié)果Table 3 Theoretical calculation results of shielding angle

3 接收器對鏡場的遮擋模擬

此次采用的模擬軟件是TracePro6.0，其模擬步驟如下：

（1）在軟件當(dāng)中建立模型并加載光源，輻照度為800 W/m2；

（2）根據(jù)理論計算得出的遮擋角范圍確定模擬角度范圍（在理論計算基礎(chǔ)上增減10°）；

（3）為保證模擬值的準(zhǔn)確性，除了初級反射鏡的反射面以外的所有面均設(shè)置為吸收面；

（4）模擬過程當(dāng)中θn的間隔取2°，即間隔2°確立一個模型；

（5）為驗證二次反射鏡遮擋情況，模擬時采用有二次反射器和沒有二次反射器兩種模型進(jìn)行對比；

（6）點擊光線追蹤進(jìn)行模擬分析，記錄每個初級反射鏡元的光線數(shù)目。

模擬軟件可直接輸出到達(dá)每一塊平面鏡的光線數(shù)目，通過光線數(shù)目變化情況反映出接收器對每個鏡元的遮擋，見圖4，從圖中讀出接收器對鏡元的遮擋角范圍見表4。

表4 鏡遮擋角的模擬結(jié)果Table 4 Simulated results of shielding angle

接收器的光口寬度180 mm遠(yuǎn)大于小平面鏡的寬度10 mm，因此隨著入射光線角度的變化，接收器就會對不同的反射鏡產(chǎn)生遮擋，從圖4中可以看出增加二次反射鏡后到達(dá)初級反射鏡的光線數(shù)目明顯減少，說明增加二次反射鏡以后對初級反射鏡的反射效率會產(chǎn)生相應(yīng)的影響。

圖4 初級反射鏡4（a）、5（b）和6（c）上的光線數(shù)目Fig. 4 Number of ray on the fourth (a), the fifth (b), and the sixth (c) primary mirror

引入變量光線損失率ε來表示增加二次反射鏡對初級反射鏡的遮擋情況；N表示沒有二次反射鏡時到達(dá)初級反射鏡的光線數(shù)目；N′表示有二次反射鏡時到達(dá)初級反射鏡的光線數(shù)目，則ε可以通過式（7）計算。

通過模擬數(shù)據(jù)和公式（7）計算出鏡元4、5、6的光線損失率見表5。

表5 光線損失率Table 5 Loss rate of rays

4 結(jié) 論

（1）線性菲涅耳集熱器接收器對初級反射鏡遮擋角的理論計算采用的是近似處理，因此和模擬值之間存在2°～4°的誤差。

（2）模擬得出二次反射器對初級鏡元4、5、6的遮擋角范圍分別為70°～90°、56°～72°、42°～58°。

（3）模擬結(jié)果顯示增加二次反射器以后到達(dá)線性菲涅耳集熱器初級反射鏡的光線數(shù)目明顯減少，光線損失率最高值達(dá)到23.53%，說明增加二次反射器以后對初級反射鏡的反射效率有一定的影響。

[1] 杜春旭, 王普, 馬重芳, 等. 菲涅耳太陽能聚光系統(tǒng)跟蹤傾角的矢量算法[J]. 太陽能學(xué)報, 2011, 32(6): 31-35.

[2] 杜春旭, 王普, 吳玉庭, 等. 線性菲涅耳聚光鏡場輻射量計算方[J]. 化工學(xué)報, 2010, 62(s1): 179-184.

[3] 杜春旭, 王普, 馬重芳, 等. 線性菲涅耳聚光系統(tǒng)無遮擋鏡場布置的光學(xué)幾何方法[J]. 光學(xué)學(xué)報, 2010, 30(11): 3276-3282.

[4] 杜春旭, 王普, 馬重芳, 等. 線性菲涅耳聚光裝置聚光比[J]. 光學(xué)學(xué)報, 2011, 31(8): 1-6.

[5] 浦紹選, 夏朝鳳. 全平面鏡線反射太陽聚光器的光學(xué)設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2011, 12(27): 282-285.

[6] 浦紹選, 夏朝鳳. 線聚光菲涅耳集熱器的端部損失與補(bǔ)償[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2011, 27(1): 282-285.

[7] 徐眾, 浦紹選, 夏朝鳳. 線性菲涅耳集熱器的能損分析[J]. 能源研究與利用, 2012(2): 41-43.

[8] 趙金龍, 李林, 崔正軍, 等. 線性菲涅耳反射聚光器聚焦光斑能流密度分布的計算[J]. 光學(xué)學(xué)報, 2012, 32(12): 1-7.

[9] 馬宏才, 金光, 鐘興, 等. 基于蒙特卡羅法的太陽能聚光接收器布局及形狀優(yōu)化設(shè)計[J]. 光學(xué)學(xué)報, 2013, 33(3): 1-6.

[10] Roberto G, Pietro T .Solar linear Fresnel collector using molten nitrates as heat transfer fluid [J]. Energy, 2011, 36(2):1048-1056.

[11] 徐眾, 劉黔蜀, 鄒敏, 等. 線性菲涅耳集熱器的光學(xué)效率分析[J]. 太陽能, 2014, 28(4): 35-38.

Discussion of Mirror Field Shelter from Linear Fresnel Collector Receiver

XU Zhong1,2, WAN Shu-quan1, HAN Hong-bo1, LIU Qian-shu2
(1. College of Biology＆Chemical Engineering, Sichuan Panzhihua 617000, China; 2. Application and Solar Technology Integration Sichuan Provincial Key Laboratory of University, Sichuan Panzhihua 617000, China)

The linear fresnel reflector (LFR) with secondary reflector has more uniform solar radiation distribution on the receiver surface, but it increases shelter between receiver and reflector. In this article, the shielding of the designed LFR with secondary reflector was analyzed by theoretical calculation and simulation. Firstly, the range of shielding angleθnibetween second reflector and the west three primary mirrors was obtained by theoretical calculation. Then, the number of received rays of primary mirrors was simulated by using the ray-tracing with or without the installation of secondary reflector. According to the change of numbers, it showed that the range of shielding angle of west three mirrors were 70°～90°, 54°～72° and 42°～58°, respectively. In addition, loss rate of rays was used to evaluate the shielding effect of secondary reflector, it showed that the maximum loss rate of rays was 23.35% with the secondary reflector.

Linear Fresnel Reflector; receiver; shielding; the shielding angle

TK51；S214

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.04.004

2095-560X（2015）04-0261-04

徐 眾（1985-），男，助教，主要從事太陽能光熱利用研究。

萬書權(quán)（1983-），男，副教授，主要從事新能源材料研究。

韓洪波（1981-），男，講師，主要從事干熱河谷地區(qū)資源開發(fā)與利用研究。

劉黔蜀（1964-），男，高級工程師，主要從事太陽能技術(shù)應(yīng)用及推廣。

2015-05-17

2015-07-02

? 通信作者：徐 眾，E-mail：xuzhong418968604@163.com