朱艷青，李育堅(jiān)，王雷雷,2，鄧育軍，史繼富?，徐 剛?

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

線性菲涅爾反射式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究*

朱艷青1，李育堅(jiān)1，王雷雷1,2，鄧育軍1，史繼富1?，徐 剛1?

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

本文研究了線性菲涅爾反射式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，基于幾何光學(xué)原理計(jì)算模擬了線性菲涅爾反射鏡鏡場(chǎng)和復(fù)合拋物面的接收系統(tǒng)，在減少末端損失的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，制作了線性菲涅爾反射式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的裝置，并進(jìn)行了集熱性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在9倍聚焦倍率下，導(dǎo)熱油的最高溫度可達(dá)176.2℃，系統(tǒng)的平均瞬時(shí)熱效率約為53%，很好地實(shí)現(xiàn)了其集熱性能。

太陽(yáng)能；線性菲涅爾；集熱性能；鏡場(chǎng)布置

0 引 言

隨著全球能源供應(yīng)問(wèn)題日顯突出和環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重，太陽(yáng)能中高溫?zé)崂眉夹g(shù)得到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。目前太陽(yáng)能中高溫集熱系統(tǒng)一般分為槽式和菲涅爾反射式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)兩種[1,2]。相比于目前已經(jīng)得到商業(yè)化利用的槽式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，線性菲涅爾反射式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)采用平面反射鏡，具有易于制造、價(jià)格低廉、反射鏡風(fēng)載低等優(yōu)點(diǎn)，其既可以為工業(yè)和家庭提供中高溫?zé)嵩?，也可建造太?yáng)能熱發(fā)電廠，在太陽(yáng)能中高溫?zé)崂梅矫嬗泻艽蟮陌l(fā)展?jié)摿?。然而，目前線性菲涅爾反射式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)存在相鄰鏡面的陰影和遮擋問(wèn)題、末端損失問(wèn)題，導(dǎo)致了系統(tǒng)效率較低，必須通過(guò)研究鏡面的優(yōu)化布置形式來(lái)提高系統(tǒng)效率；另外，經(jīng)濟(jì)高效的太陽(yáng)能接收裝置也是提高系統(tǒng)效率的一個(gè)重要方面。目前對(duì)線性菲涅爾反射式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為了中高溫領(lǐng)域的前沿課題之一，具有十分重要的學(xué)術(shù)研究意義和非常廣闊的應(yīng)用前景。

本文對(duì)線性菲涅爾反射鏡鏡場(chǎng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，接收裝置采用了復(fù)合拋物面聚光器 + 接收管的形式，接收管采用熱性能最好的直通式金屬–玻璃套管，搭建了線性菲涅爾反射式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了集熱性能的測(cè)試。

1 光學(xué)設(shè)計(jì)

1.1 復(fù)合拋物面聚光器設(shè)計(jì)

復(fù)合拋物面聚光器是一種根據(jù)邊緣光學(xué)原理設(shè)計(jì)的非成像聚光器，只要光線入射角小于其設(shè)計(jì)值，則可全部反射到接收管上[3-5]。如圖1所示，它由底部的圓漸開(kāi)線（AFB）和上部的拋物線段（BC、AD）兩部分組成。因其為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算時(shí)只需考慮一側(cè)的截面，可以得到復(fù)合拋物面聚光器的右半段的參數(shù)方程：

在圓的漸開(kāi)線段中：

在拋物線段中：

圖1 復(fù)合拋物面Fig. 1 The compound parabolic collector

根據(jù)鏡場(chǎng)邊緣反射鏡反射光線作為最大入射角進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文中最大入射半角取180°，主要為了便于增加鏡場(chǎng)，擴(kuò)大口徑，增加系統(tǒng)接收太陽(yáng)光的面積。

1.2 線性菲涅爾反射鏡鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)

線性菲涅爾反射鏡鏡場(chǎng)的優(yōu)化布置是提高系統(tǒng)效率的關(guān)鍵。鏡場(chǎng)優(yōu)化布置的關(guān)鍵是找出沒(méi)有遮擋的極限情況下，菲涅爾反射鏡鏡場(chǎng)各參數(shù)之間的關(guān)系[6-9]。鏡場(chǎng)南北布置，隨著單軸跟蹤器繞鏡場(chǎng)中心東西旋轉(zhuǎn)跟蹤太陽(yáng)，接收裝置安裝在鏡場(chǎng)中心的一定高度的支架上。

圖2所示為線性菲涅爾反射鏡場(chǎng)的布置設(shè)計(jì)圖，所有反射鏡的傾斜角不同，相鄰反射鏡的間距不同，確保了太陽(yáng)光能夠聚焦到接收器上，并且避免了相互遮擋。根據(jù)反射定律，可以得出鏡場(chǎng)重要參數(shù)的表達(dá)式：

式中，1≥n，其初始參數(shù)為Q0= 0，β0= 0，Q1= S1，根據(jù)上述遞推公式即可計(jì)算出整個(gè)菲涅爾反射鏡鏡場(chǎng)的參數(shù)。

圖2 線性菲涅爾反射鏡鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)圖Fig. 2 The schematic design of mirror field layout of linear Fresnel reflector solar collector

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 末端損失

在北回歸線以北，太陽(yáng)始終在南方，對(duì)于南北向水平放置的菲涅爾反射式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，如圖3所示，入射到反射鏡上的光有一部分是損失掉的，被稱(chēng)為末端損失[2,9]。主要由末端影響因子Г對(duì)末端損失進(jìn)行評(píng)價(jià)，其表達(dá)式為：

式中，Lend為末端損失長(zhǎng)度，L為接收器總長(zhǎng)度。末端影響因子Г值越大，則末端損失越小。

為了提高末端影響因子Г，減少末端損失，如圖3中所示，把反射鏡和接收器整體向南傾斜α角，則末端損失減少值LΔ為：

式中，lend為傾斜α角后的末端損失長(zhǎng)度，H為接收器距離反射鏡的豎直高度，φ為入射太陽(yáng)光與豎直面的夾角。

圖3 末端損失Fig. 3 The end loss energy

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig. 4 Mechanical structure diagram

為了減少上述的末端損失，設(shè)計(jì)了可以?xún)A斜一定角度的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖4所示。系統(tǒng)南北放置，繞軸在東西方向上轉(zhuǎn)動(dòng)。系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸的低端通過(guò)鉸鏈與底架支座鏈接，轉(zhuǎn)軸的高端與推桿連接，可以調(diào)節(jié)傾斜的角度?？梢愿鶕?jù)不同的季節(jié)，調(diào)節(jié)角度，在一定程度上減少末端損失，提高系統(tǒng)效率。本文測(cè)試的時(shí)間為冬至左右，此時(shí)，廣州的太陽(yáng)高度角比較低，測(cè)試時(shí)系統(tǒng)有15°的傾斜角，因此，本文測(cè)試的數(shù)據(jù)即為減少末端損失措施后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。另外，如果水平放置，太陽(yáng)光能夠達(dá)到接收器上的能量非常少，幾乎沒(méi)有光照，所以沒(méi)有進(jìn)行測(cè)試。

3 性能測(cè)試試驗(yàn)

根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)，制作了線性菲涅爾反射式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖5所示，反射鏡鏡場(chǎng)由22塊規(guī)格為96 mm × 2000 mm × 5 mm的超白玻璃反射鏡組成，接收管采用熱性能良好的長(zhǎng)為2000 mm的直通式金屬玻璃套管，包括口徑為70 mm的金屬內(nèi)接收管和口徑為100 mm的玻璃管，聚光倍率為9倍，實(shí)驗(yàn)用導(dǎo)熱油的密度為820 kg/m3，比熱為2.5 kJ/(kg·℃)，循環(huán)體積流量6 L/min，導(dǎo)熱油的體積為80 L。本文的測(cè)試目的在于測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)的效率以及系統(tǒng)的熱損系數(shù)，整個(gè)系統(tǒng)為一循環(huán)的閉環(huán)，因此設(shè)計(jì)了如下的測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法：實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，輻射傳感器以及PC-2太陽(yáng)輻射記錄儀用來(lái)記錄太陽(yáng)光的光強(qiáng)，其中輻射傳感器放在跟蹤支架上；多路溫度采集儀一路用于測(cè)量環(huán)境，另一路放在集熱器接收器的入口處，用于測(cè)量導(dǎo)熱油的入口溫度。

圖5 集熱系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試儀器Fig. 5 Experimental device and test instrument of the collecting system

系統(tǒng)的傾斜角度為向南傾斜15°，測(cè)試時(shí)間為2013年11月25日9:00 ~ 13:30。當(dāng)日天氣晴，無(wú)持續(xù)風(fēng)向，且風(fēng)力 ≤ 3級(jí)。測(cè)試結(jié)果列于表1。

表1 集熱系統(tǒng)瞬時(shí)熱效率曲線測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 The tested date of curve of the collecting system instantaneous efficiency

圖6 集熱系統(tǒng)瞬時(shí)效率曲線Fig. 6 The efficient curve of the collecting system

擬合的瞬時(shí)效率方程[10]如下：

該效率方程的截距為0.69，熱損系數(shù)為

2.21 W/(m2·℃)，可以看出隨著溫度差值的增大，集熱效率逐漸減小。此熱損系數(shù)為整個(gè)系統(tǒng)的熱損失系數(shù)，包括真空管、管路、油罐等的熱損失，因此系統(tǒng)的保溫性能，尤其是管與管連接處的保溫的進(jìn)一步提高，對(duì)系統(tǒng)效率的提高尤其重要。在9倍聚光倍率下，導(dǎo)熱油的最高溫度可達(dá)176.2℃，系統(tǒng)的平均瞬時(shí)熱效率約為53%，相比其他文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)[2,11]，此效率更高。隨著聚焦倍率的提高，系統(tǒng)的溫度繼續(xù)提高，可到達(dá)500℃，完全可以滿(mǎn)足人們對(duì)中高溫的需求，既可以為工業(yè)和家庭提供中高溫?zé)嵩?，也可建造太?yáng)能熱發(fā)電廠，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié) 論

本文在對(duì)線性菲涅爾反射鏡鏡場(chǎng)、接收系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，制作了線性菲涅爾反射式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的裝置，并對(duì)該裝置進(jìn)行了集熱性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在9倍聚焦倍率下，導(dǎo)熱油的最高溫度可達(dá)176.2℃，系統(tǒng)的平均瞬時(shí)熱效率約為53%，很好地實(shí)現(xiàn)了其集熱性能。本文的設(shè)計(jì)方法和測(cè)試結(jié)果對(duì)中高溫集熱的應(yīng)用和發(fā)展具有重要的參考價(jià)值。

[1] 張耀軍, 王軍, 張文進(jìn), 等. 聚光類(lèi)太陽(yáng)能熱發(fā)電概述[J]. 太陽(yáng)能, 2006, 1: 39-41.

[2] 宋固. 線性菲涅爾反射式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)研究[D]. 山東: 山東大學(xué), 2011.

[3] 張曉東. 復(fù)合拋物面型集熱器性能研究[D]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué), 2006.

[4] 劉靈芝, 李戩洪. 復(fù)合拋物面聚光器(CPC)光學(xué)分析研究[J]. 能源技術(shù), 2006, 27(2): 52-59.

[5] 季杰. 太陽(yáng)能光熱低溫利用發(fā)展與研究[J]. 新能源進(jìn)展, 2013, 1(1): 7-31.

[6] 謝文韜. 菲涅爾太陽(yáng)能集熱器集熱性能研究與熱遷移因子分析[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2012.

[7] David R. Mills and Graham L. Morrison. Compact linear Fresnel reflector solar thermal poweplants[J]. Solar energy, 2000, 68(3): 263-283.

[8] 周小泉, 周海妮, 譚永超, 等. 線性菲涅爾反射式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)鏡場(chǎng)優(yōu)化布置及光學(xué)性能開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2012, 31(10): 306-367.

[9] 車(chē)淑平. 線性菲涅爾反射系統(tǒng)光學(xué)和集熱性能研究[D].山東: 山東大學(xué), 2012.

[10] 李戩洪, 江晴. 一種高效平板太陽(yáng)能集熱器試驗(yàn)研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2001, 22(2): 131-135.

[11] 林蒙. 基于腔體吸收器的菲涅爾反射式聚光型太陽(yáng)能集熱器[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2013.

Design and Experimental Study on Linear Fresnel Reflector Solar Collector System

ZHU Yan-qing1, LI Yu-jian1, WANG Lei-lei1,2, DENG Yu-jun1, SHI Ji-fu1, XU Gang1

(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

In this paper linear Fresnel reflector solar collector system was studied. Based on the principle of geometrical optics, the mirror field layout and compound parabolic collector were calculated. The mechanical structure of the system was designed to reduce end loss energy, and the linear Fresnel reflector collector device was made. The solar collecting performance was tested. The experimental results show that the maximum temperature of the heat transfer oil is 176.2°C with the concentration ratio of 9 times. The averageinstantaneous efficiency of the system is 53%, which achieves a good solar collecting performance.

solar energy; linear Fresnel; solar collecting performance; mirror field layout

TK519

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.02.006

朱艷青（1983-），女，碩士，助理研究員，主要從事聚光太陽(yáng)能利用技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。

2095-560X（2014）02-0117-05

2014-02-24

2014-04-23

廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目（2012B091100204）；中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所所長(zhǎng)創(chuàng)新基金培育專(zhuān)項(xiàng)（y307p81001）；廣東省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目（2011A032304003）

? 通信作者：徐 剛，E-mail：xugang@ms.giec.ac.cn；史繼富，E-mail：shijf@ms.giec.ac.cn

史繼富（1982-），男，博士，副研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事熱管式真空集熱管的研究與開(kāi)發(fā)。

徐 剛（1970-），男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”項(xiàng)目引進(jìn)人才，主要從事太陽(yáng)能光熱、光電納米復(fù)合材料的研究與開(kāi)發(fā)。