真空玻璃管特定型面與菲涅爾線聚焦效率的關(guān)聯(lián)分析

王 彥，張志仁，費 強，趙春英，楊 霜

(1.沈陽理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.沈陽新北熱電有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110013)

真空玻璃管特定型面與菲涅爾線聚焦效率的關(guān)聯(lián)分析

王 彥1，張志仁2，費 強2，趙春英1，楊 霜1

(1.沈陽理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.沈陽新北熱電有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110013)

太陽輻射能；反射光損；特定型面；聚焦效率分析

地球表面的太陽輻射能總量很充足，但其固有的分散性與低密度性，使得一個具體地理位置太陽能的資源程度和能量品位對工業(yè)利用來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為提高太陽能工業(yè)級利用(即中-高溫利用)，將分散的太陽能集中和將低密度的輻射能聚焦成為基本的解決方案。在太陽能設(shè)備研發(fā)層面已往人們所做的工作是最大限度地提升裝置對太陽輻射能的捕捉能力，提升光-熱(或光-電)轉(zhuǎn)換和熱(或電)能輸出的能力[1]。本文研究關(guān)于真空玻璃管的特定型面對菲涅爾線聚焦透鏡(以下簡稱：菲鏡)聚焦效率的影響，真空玻璃管在光跟蹤系統(tǒng)太陽能的中-高溫光熱轉(zhuǎn)換裝置(以下簡稱：光熱轉(zhuǎn)換裝置)里的作用，特定型面在菲鏡線聚焦過程對聚焦效率的影響及有關(guān)特定型面的計算分析等。

1 真空玻璃管在光熱轉(zhuǎn)換裝置里的作用

光熱轉(zhuǎn)換裝置(如圖1所示)由菲涅爾線聚焦透鏡1、轉(zhuǎn)接架2、帶有特定型面的真空玻璃管3、耐壓高導(dǎo)熱集熱管4組成。太陽能平行光通過光熱裝換裝置，從低品位輻射能→聚焦成光斑形態(tài)的高品位輻射能→由工質(zhì)液承載可供工業(yè)利用的熱能。太陽能量流要經(jīng)過4個介質(zhì)交界面，即1)菲鏡入射面，此為光疏→光密介面；2)菲鏡出射面，此為光密→光疏介面；3)真空玻璃管外表面，此為光疏→光密介面；4)真空玻璃管內(nèi)表面，此為光密→光疏介面。真空玻璃管組合體有兩個作用：一是讓太陽平行光通過菲鏡所形成的折射光以最低光損透過G3.3高硅硼玻璃聚焦到集熱管上緣，此項由與折射光交集的特定玻璃型面保證；二是對完成了光熱轉(zhuǎn)換并用工質(zhì)液實現(xiàn)熱存儲與配送的集熱管的熱能進(jìn)行熱隔絕，此項由密閉玻璃管內(nèi)的真空層維持。

圖1 光跟蹤系統(tǒng)的太陽能中-高溫光熱轉(zhuǎn)換裝置

2 真空玻璃管設(shè)置特定型面的必要性

圖2是凸透鏡折射光與菲鏡折射光的形態(tài)對比圖，圖2中軸線左側(cè)為凸透鏡及其折射光線，右側(cè)是菲鏡及其折射光線。由于凸透鏡輪廓線是平滑曲面，圖示截面軌跡任意一點的折射光線以無干涉的方式聚焦在所設(shè)定的光斑區(qū)域內(nèi)；菲鏡用以模擬凸鏡面的是一段段小透鏡單元，且每個小透鏡單元截面均是直角三角形[2](二個直角邊分別與太陽平行光平行和垂直，斜邊用于模擬相應(yīng)的凸透鏡弧面)?；∶姹灰欢味位《它c重合仿弧微線段替代后，途經(jīng)一個具體小透鏡單元斜面的太陽平行光所形成的折射光線簇彼此平行，這樣一個小透鏡單元斜面的平行光簇構(gòu)成了一個有其相應(yīng)偏向角的光柱。

若太陽平行光線通過N個有各自頂角(αi)的小透鏡單元斜面，它將被分解為有對應(yīng)偏向角(ui)

圖2 凸透鏡與菲鏡折射光對比

的折射光柱。由于相鄰折射光柱在到達(dá)設(shè)定聚焦區(qū)域時，其上下邊緣光線距離(wi)恒大于相應(yīng)幾何中心光線間的設(shè)定距離，客觀上造成光波的干涉相消，不利于光學(xué)效率的提升。合理離散聚焦點、加大光斑的當(dāng)量直徑及減小小透鏡單元幾何尺寸等是設(shè)計上對此類問題的基本解決方案。然而，菲鏡如此聚集的折射光很大一部分將要偏離真空玻璃管中心，大部分折射光線在玻璃管外、內(nèi)表面形成較大的反射和偏離設(shè)定點的折射進(jìn)而造成光損，使聚焦效率降低(見圖3、圖4)。

圖3 光偏離示意圖

圖4 聚焦光線途徑玻璃管形成光離散示意圖

因此，對菲鏡折射光線簇經(jīng)過的真空玻璃管表面的曲率半徑與型面進(jìn)行針對性設(shè)計，設(shè)置特定型面以盡量讓構(gòu)成光柱的光線均與相應(yīng)的交點的法線重合，確保光線聚焦過程有理想的光學(xué)效率。

3 相關(guān)的計算分析

以光熱轉(zhuǎn)換裝置橫截面作為研究平面，以真空玻璃管的幾何中心為原點，設(shè)立直角坐標(biāo)系，真空玻璃管內(nèi)、外表面與xoy平面上的正交交線就是兩個動點到坐標(biāo)系原點(0，0)的軌跡(如圖5所示)。

圖5、圖6中：x為動點橫坐標(biāo)；y為動點縱坐標(biāo)；r為真空玻璃管內(nèi)徑；u為偏向角；R為通光半徑；f為焦距；2b為光斑直徑；Δ為真空玻璃管內(nèi)、外徑差；θ為入射角；u′為圓心角。

圖5 轉(zhuǎn)換裝置在直角坐標(biāo)系的位置關(guān)系

圖6 菲鏡uii、θii與uii′關(guān)系

根據(jù)菲鏡設(shè)計的相關(guān)設(shè)定，對圖5、圖6所示參數(shù)與組態(tài)設(shè)定如下：

1)N=126(菲鏡單邊小透鏡單元數(shù))；2)2R=126mm；3)f=140mm；4)2b=6mm；5)r=48mm；6)Δ=2mm；

根據(jù)以下公式[3-5]計算反射率Rn：

(1)

(2)

(3)

(4)

計算結(jié)果表明，通過菲鏡聚焦的太陽能平行光途經(jīng)普通真空玻璃管，無論光線從光疏→光密還是從光密→光疏，與126個折射光柱相對應(yīng)的反射率Rn，其值恒等于3.621%，所以該情況下僅以光反射的方式損失的光輻射能為ΔEr=1-(1-3.621%)2=7.11%。

為減小光損，在合適的空間位置將玻璃管設(shè)置特定型面是較佳的解決方案，即讓菲鏡2×126個小透鏡單元所形成的各自折射光柱無限接近地與其玻璃外圓交點的法線重合，使θii及θii′等于或趨近于0，形成特定型面；這個特定型面外緣在xoy坐標(biāo)平面的正投影軌跡可描述如下：

1)軌跡在如圖6所示xoy坐標(biāo)系內(nèi)是關(guān)于y軸對稱的仿弧微線段組。

2)在y軸兩邊任意一側(cè)的軌跡均由126個弧端點重合仿弧微線段對接組成，且令每個線段與菲鏡126個小透鏡單元中相應(yīng)的折射光柱一一對應(yīng)并垂直，編號1、2、3…126由外而內(nèi)排序。

4)用126個弧端點重合仿弧微線段wii(如圖7所示)替代r′=108mm的弧，且令每條線段圍繞其各自的中點(即xi108、yi108)逆時針旋轉(zhuǎn)θii108角(見表1)。

表1 真空玻璃管特定型面設(shè)計的相關(guān)數(shù)據(jù) mm

該條件下，光熱轉(zhuǎn)換裝置在菲鏡線聚焦環(huán)節(jié)可獲取較佳的光學(xué)效率，光損最大限度地減小，同時真空玻璃管的隔熱效應(yīng)也得到充分體現(xiàn)，理想的截面造型如圖7所示。

圖7 真空玻璃管理想造型示意圖

4 結(jié)論

通過計算與工程實踐發(fā)現(xiàn)：作為菲鏡聚焦太陽輻射能的接收與存儲部件，普通真空玻璃管僅以光反射的方式損失的光輻射能為ΔEr=7.11%。設(shè)計上通過比對與計算分析，用126個仿弧微線段替代了原玻璃弧面，并令各線段按計算角度微旋轉(zhuǎn)，由此形成的特定型面，不僅在介質(zhì)交界入射面能大幅度降低因反射而造成的光損，還能在介質(zhì)交界出射面減緩因折射形成離散所造成的聚焦效率的下降，能使菲鏡折射光的光損得到最大限度控制。

[1]施鈺川.太陽能原理與技術(shù)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2009.

[2]張明，黃良甫，羅崇泰，等.空間用平板形菲涅耳透鏡的設(shè)計和光學(xué)效率研究[J].光電工程，2001，28(5)：18-21.

[3]郭孝武.菲涅爾透鏡統(tǒng)一設(shè)計方法[J].太陽能學(xué)報，1991，12(4)：423-426.

[4]王剛，陳則韶，胡芃，等.太陽能等照度帶聚焦菲涅耳透鏡研究[J].太陽能學(xué)報，2012，33(1)：81-85.

[5]普朝光，李桂春.光波光學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013.

(責(zé)任編輯：趙麗琴)

Analysis on the Correlation between Particular Surface of Vacuum Glass Tube and Fresnel Lens Focus Efficiency in solar Thermal Conversion Device

WANG Yan1，ZHANG Zhiren2，F(xiàn)EI Qiang2，ZHAO Chunying1，YANG Shuang1

(1.Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China;2.Shenyang Xinbei Pyroelectric Co.，LTD.,Shenyang 110013，China)

solar radiation energy；reflected light loss；specific surface；efficiency analysis on focus

2015-05-12

王彥(1970—)，女，副教授，研究方向：分析化學(xué)；通訊作者：張志仁(1958—)，男，高級工程師，研究方向：清潔能源利用.

1003-1251(2015)04-0015-04

TK519

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