許瑞華 繆發(fā)群

1.云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 云南 昆明 650203;2.云南師范大學(xué) 云南 昆明 650203

引言

CPC 最早是在1966 年由Hinterberger& Winston 和Baranov&Melnikov提出[1];1974年Winston提出將CPC用在太陽能收集方面[2];近幾年與CPC應(yīng)用相關(guān)的文章大量出現(xiàn)。

本文以接收半角35.5°的圓管型全對稱CPC為例進(jìn)行分析,CPC吸收體沿東西放置,采用固定傾角放置(傾角為當(dāng)?shù)鼐S度),該設(shè)計可以保證每天7小時的日采光量。

1 鏡面反射率對光學(xué)效率的影響

一般工程上采用不同材質(zhì)的反射面,它的反射率可以從0.5至0.95不等,不銹鋼反射面反射率大約0.5至0.6左右,反射率相對較低,但是其加工方便、經(jīng)久耐用;反射率較高達(dá)到0.9以上的有鏡面鋁和鍍銀玻璃等材料,相比鍍銀玻璃,鏡面鋁價格昂貴,由于CPC的反射面都為曲面,這給鍍銀玻璃的使用帶來了一定的限制,科研工作者一般是通過優(yōu)化CPC反射面的方法或者是將反射玻璃冷彎或者熱彎后使用。

2 CPC的設(shè)計參數(shù)對光學(xué)效率的影響

CPC的設(shè)計參數(shù)有接收半角,吸收體尺寸值,然后根據(jù)極端光線的光線等程原理進(jìn)行設(shè)計的。采光面的大小我們這里用Aap表示,全CPC的幾何聚光比Ct為采光面的大小除以吸收體的尺寸,特別的對于全CPC,幾何聚光比Ct＝1/sinθa。

由于經(jīng)過多次反射到達(dá)吸收體的光線通常出現(xiàn)在CPC采光面的頂端,所以該處能量損失較大,因此通常將頂端反射面截短一部分。

不同設(shè)計參數(shù)的CPC反射面的幾何形狀不一樣,光線在不同入射角下求得的光學(xué)效率也不一樣。由于光線在CPC內(nèi)部的反射特別復(fù)雜,光線在其內(nèi)部的反射更難找到規(guī)律,所以一般科研工作者都是通過光學(xué)模擬的方法去找出光線的光學(xué)效率,如圖3所示,軟件需要先建立CPC模型,然后設(shè)置好光源。

通過光學(xué)模擬我們可以得到不同模型的CPC在不同投影入射角下的光學(xué)效率,圖1為接收半角為35.5°的全CPC在不同鏡面反射率下的光學(xué)效率,圖2為截短后的CPC,截短后的幾何聚光比為1.6。

圖1 接收半角為35.5°的全CPC在不同反射率和投影入射角下的光學(xué)效率

圖2 接收半角為35.5°的截短CPC、幾何聚光比C t＝1.6在不同反射率和投影入射角下的光學(xué)效率

之所以在不同投影入射角下的光學(xué)效率不同,是因為不同位置的光線在往往是經(jīng)過不同的反射次數(shù)到達(dá)吸收體,每反射一次都會有相應(yīng)的能量損失。

圖3 接收半角35.5°的全CPC在不同投影入射角下經(jīng)過不同反射次數(shù)到達(dá)吸收體的占有量

圖4 接收半角35.5°的截短CPC、幾何聚光比C t＝1.6不同投影入射角下經(jīng)過不同反射次數(shù)到達(dá)吸收體的占有量

編程計算可得不同反射次數(shù)的占有量,如圖3和圖4所示,由圖可知光線經(jīng)過四次及以上反射到達(dá)吸收體的占有量是非常小的,特別的對于截短后的CPC,該值更小,這也證明了通過截短CPC頂端的反射面可以有效減少多次反射的發(fā)生。

結(jié)論與展望：

文章分析了影響CPC光學(xué)效率的兩個因素,影響最大的是CPC反射面的反射率,在選用反射材料時,盡量選用反射率0.9以上的材料,以減少能量損失;不同設(shè)計參數(shù)的CPC的光學(xué)效率不一樣,主要是由于采光面上的光線需要經(jīng)過不同的反射次數(shù)到達(dá)吸收體造成的,工程上一般將CPC的頂端反射面進(jìn)行裁剪,以減少多次反射的發(fā)生次數(shù)。

為了計算不同入射角、不同CPC模型的光學(xué)效率,我們需要進(jìn)行大量的模擬工作,工作量很大而且繁瑣,后面考慮設(shè)計一個計算程序,設(shè)定好光源,將光源分成若干份,逐一計算每根光線的反射次數(shù),達(dá)到和光學(xué)模擬同樣的效果。

索 引：

[1] A.Rabl,Active solar collectors and their applications.Oxford：Oxford University Press;1985.

[2] R.Winston,Principles of solar concentrators of a novel design,Sol.Energy.16(1974)89-95,https：//doi.org/10.1016/0038－092X(74)90004－8.