滑移式線性菲涅爾太陽能集熱器的設(shè)計及實驗研究

盧梓健，黃 金,2，胡艷鑫，王 海，陳友鵬

（1. 廣東工業(yè)大學 材料與能源學院, 廣東 廣州 510006；2. 肇慶學院 環(huán)境與化學工程學院, 廣東 肇慶 526061）

太陽能因其綠色環(huán)保、取之不盡用之不竭的特點，而成為世界各國爭相開發(fā)利用的可再生能源之一[1-3]. 為了滿足用戶對中高溫太陽能集熱利用的需求，多種類型的聚光性集熱器被設(shè)計、研究. 其中，線性集熱器因其聚光光斑均勻度好、聚光效果好等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用. 目前使用較為廣泛的太陽能線性集熱器有拋物槽式集熱器、反射式菲涅爾集熱器、透射式菲涅爾集熱器等.

對于拋物槽式集熱器，常澤輝等[4]提出一種槽式復(fù)合多曲面太陽能聚光集熱器，并對其進行光學仿真計算和實驗測試研究，當跟蹤誤差為5°時，其光線接受率達到82.26%，當跟蹤誤差為10°且集熱器中導熱油流速為100 kg/h時，裝置集熱效率最高可達65.04%；王志敏等[5]以倒梯形腔體接收器為集熱器的雙軸槽式太陽能聚光集熱系統(tǒng)為研究對象，通過實驗測試和歸一化溫差的方法，對該系統(tǒng)不同接收位置下的集熱性能以及不同流量工況下的瞬時集熱效率進行測試，得到600，700，800，900 L/h 4種流量工況下對應(yīng)最大集熱效率分別為53.3%，67.6%，72.0%，81.7%.

對于反射式菲涅爾集熱器，趙曉凱等[6]提出基于線性菲涅爾反射鏡的二次反射塔式太陽集熱器的設(shè)計原理，搭建基于線性菲涅爾反射鏡的二次反射塔式集熱系統(tǒng)實驗臺，當工質(zhì)入口溫度為110 ℃時，集熱效率為51.6%；周凌宇等[7]通過理論與實驗的方法，對一種采用方形腔體吸收器的反射式線性菲涅爾太陽能集熱器的集熱性能進行研究，得出該集熱器的光學效率為78.6%，最高集熱溫度為180 ℃，在集熱溫度80～150 ℃的范圍內(nèi)，集熱效率從52.3%變化到36.2%.

上述拋物槽式集熱器及反射式菲涅爾集熱器的成本較高、聚光效果不明顯，而透射式菲涅爾集熱器具有成本低、聚光效果良好等優(yōu)點，因而被更多地進行應(yīng)用研究. 鄭宏飛等[8]介紹了一種利用圓柱面菲涅耳鏡組成的太陽能集熱系統(tǒng)，實驗測試結(jié)果表明，在集熱溫度小于100 ℃，中午10：00～14：00時間段時，該系統(tǒng)的集熱效率可以達到近60%，午后14：00～15：00時段，效率可以達到近38%. Xie等[9]研究和比較了使用不同腔體接收器的線聚焦菲涅耳透鏡太陽能集熱器，經(jīng)過優(yōu)化后，三角形空腔接收器的熱遷移因子分別增加到0.879(使用矩形管道作為吸收板)和0.873(使用管束作為吸收板).

上述透射式菲涅爾集熱器雖然集熱效率較高，但跟蹤方式復(fù)雜，維護成本較高. 因此，結(jié)合上述聚光集熱器的優(yōu)缺點，本文設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)節(jié)、安全可靠的透射滑移式線性菲涅爾太陽能集熱器. 本文對此集熱器進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，對其工作原理進行闡述，并對此集熱器進行聚光光斑模擬及實驗分析.

1 滑移式線性菲涅爾集熱器的設(shè)計及工作原理

本文選取線聚焦菲涅爾透鏡應(yīng)用于滑移式線性菲涅爾集熱器中. 線聚焦菲涅爾透鏡具有制造方便、重量輕、成本低、厚度薄、聚光效果好等優(yōu)點，廣泛地應(yīng)用在各種領(lǐng)域，尤其是太陽能聚光熱利用[10].

圖1為線聚焦菲涅爾透鏡的光學原理圖. 從剖面看，其表面由一系列鋸齒型凹槽組成，中心部分是橢圓型弧線. 每個凹槽都與相鄰凹槽之間角度不同，但都將光線集中一處，形成中心焦線，即線聚焦菲涅爾透鏡的焦線[8]. 但是在實際太陽光照射聚光過程中，并非形成理想情況的線，而是在線聚焦菲涅爾透鏡焦線位置處形成具有一定寬度的線帶光斑. 要明晰太陽全年運行規(guī)律，其中既包含日運行的太陽時角變化規(guī)律，也包含全年的太陽赤緯角變化規(guī)律[11-16].

圖 1 線聚焦菲涅爾透鏡的光學原理圖Fig.1 Optical schematic diagram of line-focused Fresnel lens

圖2 為復(fù)合拋物面集熱器(compound parabolic collector，CPC)的結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖. 復(fù)合拋物面集熱器是一種理想非成像集熱器，它根據(jù)邊緣光線原理設(shè)計，對接收角范圍內(nèi)的入射光線具有光陷阱作用.此復(fù)合拋物面集熱器根據(jù)以下步驟繪制：

(1) 以真空集熱管的玻璃內(nèi)徑為基圓，基圓中心為O，以CPC水平方向為X軸，豎直方向為Y軸，構(gòu)建二維X?Y直角坐標系;

(2) 根據(jù)式(1)繪制基圓的漸開線l：

式(1)中，r為基圓半徑，t為參數(shù)，t=0 ～2π.

(3) 將漸開線A繞圓心O順時針旋轉(zhuǎn)角度θ：

其中，θmax為復(fù)合拋物面集熱器的最大接收角.

圖 2 復(fù)合拋物面集熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖Fig.2 Structural design sketch of compound parabolic collector

(4) 沿CPC對稱軸繪制另一漸開線B，令漸開線A末端點為點A，漸開線B末端點為點B，漸開線A與漸開線B相交于點H. 作基圓切線AD，使線段AD與基圓相切于點D. 作對稱軸AC與CPC對稱軸交于點C，使以AC為對稱軸、A為焦點、C為頂點作拋物線A，且使拋物線A恰好交漸開線B于點B，且與線段AD的延長線交于點F. 同理，作基圓切線BE，使線段BE與基圓相切于點E. 作對稱軸BC與CPC對稱軸交于點C，使以BC為對稱軸、B為焦點、C為頂點作拋物線B，且使拋物線B恰好交漸開線A與點A，且與線段BE延長線交于點G.

(5) 截取弧線GAHBF即為CPC反光面曲線.

圖3為滑移式線性菲涅爾集熱器結(jié)構(gòu)圖. 該滑移式線性菲涅爾集熱器包括線聚焦菲涅爾透鏡、導桿支座、導桿、導桿滑套、真空集熱管、真空集熱管支架、復(fù)合拋物面集熱器、型鋁鋁材、反光鏡、導桿底座和扇形連接板等等. 該滑移式線性菲涅爾集熱器在其長度方向上按照東西方向擺放，線聚焦菲涅爾透鏡朝向南北方向，安裝傾角按照當?shù)氐木暥任恢脹Q定：

其中，α 為線聚焦菲涅爾透鏡的安裝傾角；? 為當?shù)氐木暥?

圖 3 滑移式線性菲涅爾集熱器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of slip linear Fresnel collector

其工作原理為： 當太陽按照一天變化時，光線通過線聚焦菲涅爾透鏡折射成焦線，焦線光斑主要向東西方向偏移，偏移出真空集熱管的一部分光線照射在反光鏡上，通過反光鏡和CPC反射回真空集熱管上；當太陽隨緯度發(fā)生季節(jié)性變化時，焦線向南北方向偏移，當偏移出CPC的開口大小時，通過導桿和導桿滑套進行手動滑移，調(diào)整線聚焦菲涅爾透鏡的位置，使焦線光斑照射在CPC內(nèi)，通過CPC反射回真空集熱管上. 滑移調(diào)節(jié)時間按照當?shù)鼐唧w的地理位置、CPC的最大接收角及開口大小確定.

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 集熱器實驗平臺介紹

為了驗證滑移式線性菲涅爾太陽能聚光集熱器的可靠性，在坐標(113°17′E，23°08′N)搭建了聚光實驗平臺，如圖4所示. 實驗平臺包括線性菲涅爾集熱器、低溫恒溫水槽、安捷倫測溫數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和太陽直射輻照儀等. 該集熱器采用3塊400 mm×320 mm×2 mm、焦距為600 mm的線聚焦菲涅爾透鏡及長度為1 200 mm，外徑47 mm，內(nèi)徑37 mm的真空集熱管等組成，且真空集熱管中心位于線聚焦菲涅爾透鏡的焦距上. 將真空集熱管的內(nèi)徑代入式(1)中，根據(jù)模擬角度設(shè)定CPC最大接收角為θmax=100°，設(shè)計并制造出CPC的開口大小為261 mm，高度為265 mm，長度為1 100 mm，并在其內(nèi)側(cè)表面處貼上反射率為0.85的反光膜. 反光鏡采用反射率為0.85的鏡面鋁板，安裝在集熱器兩側(cè). 根據(jù)式(3)可得該集熱器的安裝傾角α為23.13°，通過扇形連接板調(diào)整導桿的安裝傾角，即可調(diào)整線聚焦菲涅爾透鏡的安裝傾角，且透鏡方向朝向南方.

圖 4 滑移式線性菲涅爾集熱器實驗平臺Fig.4 Experimental platform of slip linear Fresnel collector

2.2 集熱器實驗結(jié)果及分析

為了凸顯有無滑移裝置的集熱器的集熱效率差別，實驗中以菲涅爾透鏡處于導桿正中位置作為基準位置. 在實驗日期為2018年11月29日和30日(太陽赤緯角?21°)，真太陽時10：00～14：00進行聚光集熱實驗，實驗地點為廣州大學城. 將集熱器按東西方向放置，進行有滑移(根據(jù)焦線光斑位置變化滑移菲涅爾透鏡的位置)和無滑移(菲涅爾透鏡仍位于基準位置)時，集熱器的集熱性能研究. 實驗通過太陽直射輻照儀測量實驗過程中太陽光直射輻照度的變化情況. 集熱系統(tǒng)的傳熱工質(zhì)為水，設(shè)置低溫恒溫水槽的溫度，使集熱器真空集熱管的入口溫度為25 ℃，采用T型熱電偶測量真空集熱管入口溫度和出口溫度，并通過安捷倫Agilent34970A型數(shù)據(jù)采集儀進行數(shù)據(jù)采集，采集時間間隔為5 min. 調(diào)節(jié)連接在管道上轉(zhuǎn)子流量計的流量讀數(shù)，使流過真空集熱管的水流量恒為60 L/h. 太陽直射輻照度、真空集熱管的進口溫度及出口溫度隨時間的變化情況如圖5所示.

圖 5 太陽直射輻照度、進口溫度及出口溫度變化圖Fig.5 Changes of solar irradiance, inlet and outlet temperatures

從圖5(a)中可以看出，在真太陽時10：00～13：00時，太陽直射輻照度基本維持在700～750 W/m2，在真太陽時13：00后稍有下降. 集熱器進口溫度基本維持在25 ℃左右，出口溫度先隨真太陽時的變化逐漸升高，在12：30左右達到最大溫度28.77 ℃，然后逐漸下降. 從圖5(b)中可以看出，在真太陽時10：00～14：00時，太陽直射輻照度基本維持在700 W/m2左右.集熱器進口溫度基本維持在25 ℃左右，出口溫度先隨真太陽時的變化稍微升高，然后逐漸下降，進出口溫差變化不大.

集熱系統(tǒng)的集熱效率計算式為

式(4)中，Cp為水的比熱容，Cp=4.2 kJ/(kg·℃)；ρ為水的密度，ρ=1 kg/L；v為水的流量，v=60 L/h；Ti、To分別為集熱器進、出口溫度，℃；I為太陽直射輻照度，W/m2；S為集熱器采光面積，S=0.384 m2.

通過以上參數(shù)并結(jié)合式(4)，可計算出集熱系統(tǒng)的集熱效率，如圖6所示. 從圖6中可以看出，有滑移時，集熱器在系統(tǒng)穩(wěn)定后，即在真太陽時10：30～12：00時，集熱器的集熱效率隨著太陽入射傾角的減小及氣溫的上升而逐漸增大，最大集熱效率為27.89%；在12：00后，由于太陽入射傾角的增加，太陽光經(jīng)匯聚后能被真空管接收到的能量逐漸減少，導致工質(zhì)得到的熱能隨之下降，結(jié)果表現(xiàn)為集熱器進出口溫差降低，集熱效率降低. 集熱器無滑移時，集熱器的集熱效率無明顯變化，這是由于無滑移時，太陽赤緯角過大，光線入射角大，使透過菲涅爾透鏡形成的焦線無法匯聚在CPC以及真空集熱管上，因此集熱效率低下. 集熱器在有滑移時的平均集熱效率為22.90%，而無滑移時的平均集熱效率僅為6.40%，因此集熱器在有滑移時展現(xiàn)出更為優(yōu)異的集熱效率，集熱效果顯著.

圖 6 集熱器有無滑移裝置的集熱效率變化圖Fig.6 The heat collecting efficiency change diagram of the collector with or without the slip device

3 集熱器光斑模擬分析

3.1 模擬軟件及模擬方法

基于蒙特卡羅法的非序列光線追跡技術(shù)[17]，TracePro具有處理復(fù)雜幾何問題的能力，可定義和追蹤數(shù)百萬條光線，它以實體對象來構(gòu)建光路系統(tǒng)，并通過計算反射、折射、吸收和衍射等行為來模擬光線與實體表面的作用，能夠?qū)φ鎸崍鼍斑M行計算和顯示.

為了驗證本文所設(shè)計的滑移式線性菲涅爾集熱器的可靠性，以下采用TracePro光學模擬軟件對集熱器進行聚光光斑模擬分析.

根據(jù)上述滑移式線性菲涅爾集熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計三維模型，選取集熱器在太陽一年運行過程中的典型位置進行光路模擬，確定位于真空集熱管玻璃表面處的光斑變化情況. 其中，光源模擬太陽光光譜，波長從0.74～1.642 μm，各波長的權(quán)重以NASA太陽光譜與材料參數(shù)為標準，輻射值設(shè)定為700 W/m2. 設(shè)置菲涅爾透鏡面積為0.384 m2，安裝傾角為23.13°，反射鏡及CPC材料的反射率為0.85. 太陽典型位置對應(yīng)一天真太陽時為10：00至14：00，間隔為半小時的聚光光斑情況進行光路模擬.

3.2 一天模擬結(jié)果及分析

集熱器無滑移時規(guī)律不明顯，因此僅對有滑移時進行模擬分析. 按照上述步驟，在有滑移時，集熱器的真空集熱管表面處的光斑變化情況部分輻照圖如圖7所示，太陽赤緯角為?21°. 其中X軸表示東西方向，朝東為負，朝西為正，Y軸表示南北方向，朝南為正，朝北為負，且以不同顏色標識聚光光斑的能流密度值.

圖 7 太陽赤緯角為-21°時聚光光斑分布輻照圖Fig.7 Irradiation diagram of concentrated spot distribution when the solar declination angle is -21°

由圖7可知，當真太陽時從10：00至14：00，太陽位置自東向西轉(zhuǎn)動，因此聚光光斑整體自西向東移動. 當真太陽時為10：00時，聚光光斑位于真空集熱管西側(cè)，光線部分通過反光鏡反射回來. 當真太陽時為11：00時，聚光光斑整體略微偏西，由于小部分偏移的光線被反射回來，因此可以看出在西側(cè)位置處存在能流密度較強的光斑. 當真太陽時為12：00時，太陽正對著線性菲涅爾透鏡，太陽光垂直照射，聚光光斑整體無偏移，成線性且均勻地照射在真空集熱管上. 同理，當真太陽時為13：00和14：00時，聚光光斑整體位于東側(cè)，部分偏移光線被反射回來. 根據(jù)太陽赤緯角為?21°時集熱器光斑總光通量變化情況及計算后的光學效率變化數(shù)據(jù)，繪制成圖8.

圖 8 太陽赤緯角為-21°時集熱器總光通量及光學效率變化圖Fig.8 Variation of total luminous flux and optical efficiency of the collector when the solar declination angle is -21°

從圖8中可以看出，在太陽赤緯角為?21°時，集熱器光斑的總光通量隨著真太陽時的變化，呈現(xiàn)先增大后減少的對稱分布規(guī)律變化. 集熱器平均總光通量為124.56 W，其中，當真太陽時為12：00時，真空集熱管表面處達到最大總光通量141.37 W. 集熱器的光學效率也呈現(xiàn)先增大后減少的對稱分布規(guī)律變化，平均光學效率為46.34%. 其中，當真太陽時為12：00時，最大光學效率達到52.59%.

造成上述現(xiàn)象的主要原因是隨著真太陽時的變化，太陽光照射到菲涅爾透鏡的入射角發(fā)生變化，透過線性菲涅爾透鏡的光線的折射角也發(fā)生變化，導致聚光光斑發(fā)生規(guī)律性偏移，使得集熱器的光學效率呈現(xiàn)近拋物線的對稱分布變化規(guī)律.

真空管傳熱過程是從內(nèi)玻璃管內(nèi)壁面經(jīng)內(nèi)玻璃管、真空夾層、外玻璃管到達環(huán)境空氣的過程，具體過程涉及到了導熱、輻射、對流以及稀薄氣體傳熱等各種形式，而且各種傳熱形式相互耦合[18]. 因此，集熱器的集熱效率與集熱器的光學效率之間可以用式(5)進行轉(zhuǎn)換：

其中，η集熱器的集熱效率；u1，u2，u3，u4，u5分別為從水到玻璃、從內(nèi)管內(nèi)壁到內(nèi)管外壁、從內(nèi)管外壁到外管內(nèi)壁、從外管內(nèi)壁到外管外壁、從外管外壁到大氣的光熱損失系數(shù)；δ為集熱器的光學效率.

為驗證模擬結(jié)果的準確性，根據(jù)式(5)作出集熱器系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果取不同光熱損失系數(shù)時的等效集熱效率對比圖，如圖9所示. 從圖9對比實驗數(shù)據(jù)曲線和模擬結(jié)果曲線可以發(fā)現(xiàn)，兩曲線基本呈現(xiàn)先增大后減少的拋物線對稱分布的規(guī)律. 但在真太陽時12：00前，早上的實際太陽輻照度略低于模擬采用的700 W/m2，且集熱器系統(tǒng)處于從環(huán)境溫度升溫至實際工作溫度的非穩(wěn)態(tài)工況，因此實驗數(shù)據(jù)略低于模擬結(jié)果；而在真太陽時12：00后，集熱器工作穩(wěn)定，實驗數(shù)據(jù)與光熱損失系數(shù)均取0.88時的模擬結(jié)果較為一致，由此表明模擬結(jié)果準確可靠. 其中，當光熱損失系數(shù)均取0.88時，平均等效集熱效率為24.45%，最大等效集熱效率為27.75%.

圖 9 集熱器集熱效率實驗數(shù)據(jù)及模擬結(jié)果對比圖Fig.9 Comparison of experimental data and simulation results of collector heat collection efficiency

3.3 全年模擬結(jié)果及分析

基于上述結(jié)果進一步對上述滑移式線性菲涅爾集熱器進行光斑模擬分析，對集熱器在太陽1 a運行過程中的典型位置進行光路模擬，在相同條件下，分別模擬集熱器在有滑移和無滑移時，集熱器真空集熱管表面處的光斑變化情況. 太陽典型位置分別取太陽赤緯角為+23°26′、+11°43′、0°、?11°43′、?23°26′，對應(yīng)1 d真太陽時為10：00至14：00，間隔為半小時的聚光光斑情況進行光路模擬.

3.3.1 有滑移時模擬結(jié)果分析

按照上述步驟，對有滑移時集熱器全年光斑變化情況進行模擬，結(jié)果如圖10所示. 從圖10中可以看出，集熱器在有滑移時，全年的集熱效率呈現(xiàn)先增大后減少的拋物線對稱分布規(guī)律變化，集熱器全年平均集熱效率為27.11%. 當太陽赤緯角為0°、真太陽時為12：00時，集熱器達到最大集熱效率37.20%.

圖 10 有滑移時集熱器全年集熱效率變化情況Fig.10 Change of heat collecting efficiency of the collector during the whole year with slip

3.3.2 無滑移時模擬結(jié)果分析

同理，對無滑移時集熱器全年光斑變化情況進行模擬，結(jié)果如圖11所示. 從圖11中可以看出，集熱器太陽赤緯角為0°時，集熱效率呈現(xiàn)先增大后減少的對稱分布規(guī)律變化，但在其他太陽赤緯角位置時，集熱效率較低且基本變化不大. 其中，當太陽赤緯角為0°、真太陽時為12：00時，集熱器達到最大集熱效率37.20%. 集熱器全年平均集熱效率為9.80%.

造成上述現(xiàn)象的主要原因是當太陽光入射角發(fā)生變化時，經(jīng)過線性菲涅爾透鏡的光線的折射角也發(fā)生變化，聚光光斑發(fā)生偏移. 當入射角過大使光斑偏移超出CPC的最大開口位置及反光鏡面時，光斑不能反射回真空集熱管上，造成集熱器的集熱效率低下.

圖 11 無滑移時集熱器全年集熱效率變化情況Fig.11 Change of heat collecting efficiency of the collector during the whole year without slip

從上述全年集熱器集熱效率變化情況圖10、圖11中可以看出，滑移式線性菲涅爾集熱器在太陽赤緯角為0°時，有滑移和無滑移時的集熱效率是一致的. 但隨著太陽赤緯角及真太陽時的變化時，有滑移時集熱器的全年平均集熱效率明顯高于無滑移時的全年平均集熱效率. 因此該滑移式線性菲涅爾集熱器在有滑移時比無滑移時所收集到的太陽能效率更高，效果更好.

4 結(jié) 論

本文針對線性菲涅爾集熱器，作了工作原理分析，并設(shè)計出了滑移式線性菲涅爾太陽能集熱器. 為驗證該集熱器的可靠性，對集熱器進行實驗與模擬分析，得到結(jié)論如下：

(1) 對搭建的滑移式線性菲涅爾集熱器進行實驗研究，得出了滑移式線性菲涅爾集熱器在有滑移時的平均集熱效率為22.90%，而無滑移時的平均集熱效率僅為6.40%，因此集熱器在有滑移時集熱效果顯著.

(2) 在TracePro中，對設(shè)計出來的集熱器進行光路模擬，對光斑分布輻照圖進行了分析，得到了在太陽赤緯角為?21°，真太陽時10：00～14：00時集熱器的平均等效集熱效率為24.45%，最大等效集熱效率為27.75%，并將實驗數(shù)據(jù)進行了對比，兩者較為吻合，從而驗證了模擬的可靠性.

(3) 對集熱器在有無滑移時的全年光斑進行模擬，得到了集熱器在有滑移時全年平均等效集熱效率為27.11%，無滑移時全年平均等效集熱效率為9.80%，滑移式線性菲涅爾太陽能集熱器展現(xiàn)出更為優(yōu)異的集熱效率.