聚光型太陽(yáng)能空氣集熱器的發(fā)展及展望

林仲祺，謝嘉豪，龍碧瑩，楊晚生

(廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

1 引言

聚光型太陽(yáng)能集熱器(又稱(chēng)CPC太陽(yáng)能空氣集熱器)是利用邊緣光線原理設(shè)計(jì)成的一種聚光器，該類(lèi)型的集熱器是由Winston[1]最早在1974年提出，利用了光的非成像聚光原理，與成像聚光器對(duì)比，其最大優(yōu)勢(shì)在于省去了復(fù)雜的跟蹤裝置，在這個(gè)基礎(chǔ)上，許多學(xué)者開(kāi)始對(duì)CPC太陽(yáng)能空氣集熱器進(jìn)行了研究工作。根據(jù)接收器的形狀可分為平板型、豎版型、圓管型及三角型[2](圖1)。

理想型CPC太陽(yáng)能空氣集熱器的聚光器形狀如圖2所示， AD段為拋物線，和拋物線BC關(guān)于聚光器的中心軸線對(duì)稱(chēng)。點(diǎn)B為拋物線AD的焦點(diǎn)，位于BC上。直線AO和BD分別是拋物線AD和拋物線BC的主軸，直線BD和AC分別與主軸平行，兩直線間的夾角就是CPC的最大接收角，即圖中的θmax。當(dāng)直射光線的入射角處于[-θmax，θmax]之間時(shí)，該光線經(jīng)過(guò)一次或多次反射后總能達(dá)到接收器表面；而當(dāng)入射角不再這個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，直射光線經(jīng)過(guò)反射后一定會(huì)射出聚光器。

2 CPC太陽(yáng)能空氣集熱器的研究狀況

2.1 對(duì)于聚光器結(jié)構(gòu)的研究

與傳統(tǒng)的其他聚光系統(tǒng)相比，理想型CPC集熱器由于按照邊緣光線原理設(shè)計(jì)，導(dǎo)致其尺寸較大，高寬比過(guò)大，鏡面面積很大，對(duì)于大規(guī)模應(yīng)用的推廣不利，出于實(shí)際工程的考慮，有些學(xué)者對(duì)在理想聚光器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了更多實(shí)驗(yàn)研究。

W R Mcimire[3]分析研究了CPC的截短比和縫隙問(wèn)題，指出由于CPC上部分的鏡面幾乎和對(duì)稱(chēng)軸平行，截去上半部分后可明顯降低其高度，但是聚光比卻下降的不明顯，在一定范圍內(nèi)對(duì)聚光器的高度進(jìn)行截取，當(dāng)截取率小于50%時(shí)，聚光比的減少量小于10%，大大降低了CPC的耗材。

圖2 理想型聚光器的聚光原理

張曉偉等[4]針對(duì)CPC集熱器的不足，借鑒了平板集熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種蛇形復(fù)合拋物面集熱器，其集熱效果相對(duì)普通平板式集熱器效果更好，集熱效率可達(dá)到55%以上。

吳青[5]設(shè)計(jì)了一種基于圓的漸開(kāi)線方程，結(jié)合理想CPC的設(shè)計(jì)原理，提出了一種ICC型太陽(yáng)能集熱裝置，并對(duì)其進(jìn)行了光學(xué)和熱血性能測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)條件下集熱效率可達(dá)到50%以上。

鄭宏飛[6]分別采用平移、截底、旋轉(zhuǎn)的3種方法對(duì)理想CPC進(jìn)行改造，增大CPC的最大聚光角，并且給出了3種方法中最大聚光角隨幾何尺寸變化的計(jì)算方式。

Yong Sin Kim等[7]通過(guò)理論模擬和實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究了沿南北和東西方向放置的CPC真空管熱管式的光學(xué)效率和集熱效率，經(jīng)過(guò)截取后實(shí)際聚光比分別為1．12 和1．82，得到S-N和E．W 的光學(xué)效率分別為64．7%和68．3%。實(shí)驗(yàn)工況下南北放置的CPC的集熱效率為36．3%，而東西放置的CPC仍具有40%的集熱效率，表明2種方向放置的CPC均具有良好的集熱效率。

東南大學(xué)的李開(kāi)創(chuàng)[8]在設(shè)計(jì)了V 型CPC聚光器，對(duì)該新V型CPC熱管式真空集熱管進(jìn)行光學(xué)性能模擬和 熱性能實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果為集熱管的最高瞬時(shí)效率為50．4%，最高火用效率為4．5%。

2.2 CPC集熱器的理論和仿真研究

由于室外參數(shù)不易控制，在室外進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)很難保持相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)不變，為了更好地分析CPC集熱器的集熱過(guò)程，許多學(xué)者基于采用理論分析和仿真模型的手段對(duì)CPC集熱器進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。

N．Naeen[9]對(duì)典型迎風(fēng)夾角下的CPC集熱器進(jìn)行分析，考慮了吸熱管對(duì)流場(chǎng)的影響，采用RNG湍流模型對(duì)多個(gè)迎風(fēng)夾角與不同風(fēng)速下進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，之后討論了大型槽式集熱器反射器結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能以及吸熱管表面的對(duì)流換熱損失。

王志峰[10]采用聚焦影像概念對(duì)CPC的光學(xué)性能進(jìn)行分析，得到集熱管表面熱流分布，建立了整個(gè)集熱管的三維傳熱流動(dòng)模型，分析了非均勻熱流對(duì)集熱管傳熱的影響。

J.Munoz等[11]采用內(nèi)螺旋翅片的方式來(lái)降低集熱管表面由于非均勻熱流造成的周向溫度差，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析表明表明增加管內(nèi)螺旋翅片可以降低了集熱管周向溫度差和熱損失，集熱器效率提高，但同時(shí)也會(huì)引起裝置內(nèi)部流動(dòng)阻力增加。

蔣常建等[12]對(duì)水平及傾斜同心套管環(huán)形空間內(nèi)的換熱過(guò)程進(jìn)了數(shù)值模擬研究，分析了裝置傾角、軸向徑向長(zhǎng)度比值等特性對(duì)集熱器換熱效果的影響，提出了套管內(nèi)外徑尺寸的最佳比值范圍。

S．M．Jeter[13]提出了一種半公式半經(jīng)驗(yàn)化的計(jì)算公式，可以預(yù)測(cè)CPC槽式集熱器接收器表面的能流分布情況，給出了集熱器在該表面上的光學(xué)積分，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做了對(duì)比，但該方法數(shù)值積分過(guò)程復(fù)雜，計(jì)算量大。

3 CPC集熱器的發(fā)展與展望

對(duì)于所有類(lèi)型的太陽(yáng)能集熱器，其核心思想始終是使接收器可獲得更多來(lái)自太陽(yáng)的熱能。

對(duì)于CPC集熱器的實(shí)驗(yàn)和理論分析已經(jīng)有學(xué)者做了大量的研究工作，這些研究工作主要是針對(duì)特定形式、特定結(jié)構(gòu)的CPC集熱器進(jìn)行的。在以后的研究中，除了對(duì)CPC的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出更合理更具有代表性的仿真模型，還需要對(duì)CPC的材料和接收器的材料進(jìn)行研究。

對(duì)于集熱裝置而言，高性能的接收器意味著對(duì)于太陽(yáng)輻射具有更高的吸收能力和更少的反射特性?，F(xiàn)在工程中接收器常用的選擇性吸收涂層經(jīng)歷了從最初的不具有選擇性吸收能力的普通黑漆到具有選擇性吸收能力的硫化鉛、金屬氧化物涂料，從黑鎳、黑鉻涂層到鋁陽(yáng)極氧化涂層等的更新?lián)Q代過(guò)程。

除了選擇性吸收涂層，根據(jù)選擇性吸收原理，接收器的吸收表面材料可分為以下幾種類(lèi)型：多層膜、不均勻粒子膜，表面微孔，具有本征特征的選擇性吸收材料。

其中屬于不均勻例子膜的金屬陶瓷薄膜由于其良好的耐熱穩(wěn)定性及耐濕性被廣泛的進(jìn)行研究，并且通過(guò)添加AIN致密介質(zhì)層來(lái)對(duì)其進(jìn)行保護(hù)和防腐[14]。

4 結(jié)語(yǔ)

由于經(jīng)濟(jì)和能源矛盾的日益計(jì)劃，世界各國(guó)都在大力發(fā)展可再生能源。太陽(yáng)能作為優(yōu)質(zhì)無(wú)污染且儲(chǔ)量巨大的能源，如何對(duì)其進(jìn)行更充分的利用越來(lái)越受到各界的關(guān)注。聚光型太陽(yáng)能空氣集熱器在太陽(yáng)能中低溫利用領(lǐng)域的發(fā)展迅速，本文對(duì)聚光型太陽(yáng)能空氣集熱器的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并且指出了該領(lǐng)域未來(lái)需要關(guān)注的發(fā)展方向?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是聚光型太陽(yáng)能空氣集熱器的發(fā)展前景將會(huì)越來(lái)越廣闊。