新型模塊化太陽能聚光集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉躍財(cái)+王詩文

摘 要 本文提出了模塊化設(shè)計(jì)聚光集熱系統(tǒng)的思路，以等厚菲涅爾透鏡和腔式集熱器為研究對象，設(shè)計(jì)一套新型模塊化的太陽能聚光集熱系統(tǒng)。通過SolidWorks建立三維模型，利用TracePro、FLUENT進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明：理想情況下，等厚菲涅爾透鏡聚光比高，且光學(xué)效率為91.298%，腔式集熱器熱效率在85%以上，系統(tǒng)整體性能良好。

關(guān)鍵詞 聚光集熱；模塊化；等厚菲涅爾透鏡；腔式集熱器

中圖分類號 TK519 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0296-03

太陽能具有普遍廣泛、清潔無害等優(yōu)點(diǎn)，且開發(fā)利用方式多樣，而將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能加以利用是其中能量利用率較高和應(yīng)用較為廣泛的方式[ 1 ]。在光—熱轉(zhuǎn)換過程中，聚光集熱系統(tǒng)作為核心部件，故對其的優(yōu)化設(shè)計(jì)尤為重要。

眾多國內(nèi)外學(xué)者對應(yīng)用于不同場合的聚光集熱系統(tǒng)進(jìn)行了大量設(shè)計(jì)。K. Lovegrove，G. Burgess等[ 2 ]設(shè)計(jì)并建立了一個(gè)500m2的碟式聚光集熱裝置，由380塊完全相同的1.17m×1.17m的球面鏡拼裝而成，聚光倍數(shù)為2 000倍以上。熊亞選、吳玉庭等[3]為10kW分布式太陽能熱—電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造了大型的槽式太陽能聚光集熱器，其光熱轉(zhuǎn)換效率超過60%。Tao Tao，Zheng Hongfei等設(shè)計(jì)的槽式太陽能聚光集熱器采用多曲面聚焦，讓經(jīng)過上曲面未聚焦的光線轉(zhuǎn)移到下曲面進(jìn)行二次聚焦，使太陽能接收器受上下兩面的聚焦加熱，提高了接收器的效率。J. Llorente，J. Ballestr？′n等設(shè)計(jì)了一種新型太陽能菲涅爾反射聚光集熱裝置，該裝置由864塊15cm×12cm的鏡面在9個(gè)環(huán)上鑲嵌而成，當(dāng)所有鏡面均聚焦到同一點(diǎn)時(shí)，良好天氣條件下吸熱處的溫度為1 500K。

本文提出一種模塊化設(shè)計(jì)的聚光集熱系統(tǒng)，以聚光器和集熱器為設(shè)計(jì)對象，既可以充分利用普通菲涅爾透鏡大聚光比的特點(diǎn)，又能得到低成本、高效率的聚光集熱系統(tǒng)。

1 聚光集熱模塊描述

本文設(shè)計(jì)的聚光集熱模塊主要有3部分組成：菲涅爾透鏡、腔式集熱器和工質(zhì)輸送管。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

經(jīng)菲涅爾透鏡聚焦的光線進(jìn)入腔式集熱器內(nèi)部后，通過在涂有吸收涂層的腔體內(nèi)壁上多次反射吸收，由工質(zhì)輸送管內(nèi)流動的冷工質(zhì)將腔體內(nèi)的熱量帶走，實(shí)現(xiàn)光—熱轉(zhuǎn)換。

2 聚光集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 等厚菲涅爾聚光器設(shè)計(jì)

本文所采用的等厚菲涅爾透鏡中心為球面透鏡，記作第1環(huán)，從中心向外依次為2，3，4，……，n環(huán)。由幾何光學(xué)知識推導(dǎo)、整理后，可得平行光經(jīng)中心球面透鏡折射后在菲涅爾透鏡焦平面上形成的焦斑半徑為

式中：f為菲涅爾透鏡的焦距，N為透鏡材料的折射率，1r為中心球面透鏡的半徑，h為中心球面透鏡高度。

如圖2所示為太陽光垂直入射到透鏡的平面一側(cè)時(shí)的光路圖。

目前高倍聚光菲涅爾透鏡設(shè)計(jì)時(shí)焦徑比一般設(shè)定為1.2。現(xiàn)將等厚菲涅爾透鏡的參數(shù)確定如下：大小為520mm×520mm，焦距為f=620mm，厚度為2.5mm（其中棱鏡高度為h=0.5mm），聚光倍數(shù)為1000倍以上，聚光效率不低于85%，光斑在直徑Φ25mm的范圍以內(nèi)，折射率為N=1.411 1。根據(jù)式（2），利用MATLAB軟件編程計(jì)算，結(jié)果顯示該菲涅爾透鏡共有421環(huán)。

2.2 腔式集熱器設(shè)計(jì)

腔式集熱器由3部分組成：雙曲線、半圓和半橢圓。曲線方程如下：

雙曲線1：

將上述方程得到的曲線集合在一起并封口，可得到腔式集熱器的幾何結(jié)構(gòu)，利用SolidWorks進(jìn)行方程式驅(qū)動建模，得到集熱器模型，其中集熱器整體高為220mm，壁厚為2mm，如圖3所示。

2.3 聚光集熱模塊設(shè)計(jì)

如圖4所示，聚光集熱模塊主要由等厚菲涅爾透鏡、腔式集熱器、熱交換管和連接管等組成。

結(jié)果顯示，腔體內(nèi)壁面對入射光輻射吸收的分布情況為：橢圓腔體部分占88%，圓和雙曲線腔體部分總共占6.9%，其他損失占5.1%，其中絕大部分損失是由于“頸部”光強(qiáng)較大導(dǎo)致的輻射熱損失?？偟膩碚f，集熱器的熱效率在85%以上且光學(xué)性能和熱性能良好。

圖6所示為工質(zhì)在輸送管內(nèi)的模擬流速分布圖。從模擬結(jié)果可以看出，傳熱工質(zhì)在腔式集熱器橢球下部附近流速較快，可快速將腔式集熱器橢圓部分“蝸居”的熱量帶走，防止集熱器局部高溫造成熱損失。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型的模塊化太陽能聚光集熱系統(tǒng)，其核心部件是等厚菲涅爾透鏡和腔式集熱器。經(jīng)模擬仿真，在理想情況下，聚光器聚光比大于2 000且光學(xué)效率達(dá)到91.298%；腔式集熱器熱效率在85%以上且熱性能良好；同時(shí)，輸送管內(nèi)傳熱工質(zhì)熱傳遞效果良好，既可將集熱器橢球部分的聚集熱量快速帶走，又能充分保證其他部分與工質(zhì)的熱傳遞接觸時(shí)長。

參考文獻(xiàn)

[1]陳德明，徐剛.太陽能熱利用技術(shù)概況[J].物理，2007，36（11）：840-846.

[2]K. Lovegrove， G. Burgess， J. Pye. A new 500 m2 paraboloidal dish solar concentrator[J]. Solar Energy， 2011， 85：620-626.

[3]熊亞選，吳玉庭，馬重芳，等.槽式太陽能聚光集熱器光熱性能初步試驗(yàn)研究[J].太陽能學(xué)報(bào)，2012，33（12）：2087-2092.