盧梓健，黃 金,2，胡艷鑫，王 海，陳友鵬

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

太陽(yáng)能因其綠色環(huán)保、取之不盡用之不竭的特點(diǎn)，而成為世界各國(guó)爭(zhēng)相開(kāi)發(fā)利用的可再生能源之一[1-3]. 為了滿足用戶對(duì)中高溫太陽(yáng)能集熱利用的需求，多種類型的聚光性集熱器被設(shè)計(jì)、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(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用. 目前使用較為廣泛的太陽(yáng)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(duì)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(yáng)能聚光集熱器，并對(duì)其進(jìn)行光學(xué)仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究，當(dāng)跟蹤誤差為5°時(shí)，其光線接受率達(dá)到82.26%，當(dāng)跟蹤誤差為10°且集熱器中導(dǎo)熱油流速為100 kg/h時(shí)，裝置集熱效率最高可達(dá)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(yáng)能聚光集熱系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和歸一化溫差的方法，對(duì)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(shí)集熱效率進(jìn)行測(cè)試，得到600，700，800，900 L/h 4種流量工況下對(duì)應(yīng)最大集熱效率分別為53.3%，67.6%，72.0%，81.7%.

對(duì)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(yáng)集熱器的設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)臺(tái)，當(dāng)工質(zhì)入口溫度為110 ℃時(shí)，集熱效率為51.6%；周凌宇等[7]通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)一種采用方形腔體吸收器的反射式線性菲涅爾太陽(yáng)能集熱器的集熱性能進(jìn)行研究，得出該集熱器的光學(xué)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(diǎn)，因而被更多地進(jìn)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(yáng)能集熱系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，在集熱溫度小于100 ℃，中午10：00～14：00時(shí)間段時(shí)，該系統(tǒng)的集熱效率可以達(dá)到近60%，午后14：00～15：00時(shí)段，效率可以達(dá)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(yáng)能集熱器，經(jīng)過(guò)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(hù)成本較高. 因此，結(jié)合上述聚光集熱器的優(yōu)缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于調(diào)節(jié)、安全可靠的透射滑移式線性菲涅爾太陽(yáng)能集熱器. 本文對(duì)此集熱器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)其工作原理進(jìn)行闡述，并對(duì)此集熱器進(jìn)行聚光光斑模擬及實(shí)驗(yàn)分析.

1 滑移式線性菲涅爾集熱器的設(shè)計(jì)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(diǎn)，廣泛地應(yīng)用在各種領(lǐng)域，尤其是太陽(yáng)能聚光熱利用[10].

圖1為線聚焦菲涅爾透鏡的光學(xué)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(gè)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(shí)際太陽(yáng)光照射聚光過(guò)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(yáng)全年運(yùn)行規(guī)律，其中既包含日運(yùn)行的太陽(yáng)時(shí)角變化規(guī)律，也包含全年的太陽(yáng)赤緯角變化規(guī)律[11-16].

圖 1 線聚焦菲涅爾透鏡的光學(xué)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(jì)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(jì)，對(duì)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?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閅軸，構(gòu)建二維X?Y直角坐標(biāo)系;

(2) 根據(jù)式(1)繪制基圓的漸開(kāi)線l：

式(1)中，r為基圓半徑，t為參數(shù)，t=0 ～2π.

(3) 將漸開(kāi)線A繞圓心O順時(shí)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(jì)示意圖Fig.2 Structural design sketch of compound parabolic collector

(4) 沿CPC對(duì)稱軸繪制另一漸開(kāi)線B，令漸開(kāi)線A末端點(diǎn)為點(diǎn)A，漸開(kāi)線B末端點(diǎn)為點(diǎn)B，漸開(kāi)線A與漸開(kāi)線B相交于點(diǎn)H. 作基圓切線AD，使線段AD與基圓相切于點(diǎn)D. 作對(duì)稱軸AC與CPC對(duì)稱軸交于點(diǎn)C，使以AC為對(duì)稱軸、A為焦點(diǎn)、C為頂點(diǎn)作拋物線A，且使拋物線A恰好交漸開(kāi)線B于點(diǎn)B，且與線段AD的延長(zhǎng)線交于點(diǎn)F. 同理，作基圓切線BE，使線段BE與基圓相切于點(diǎn)E. 作對(duì)稱軸BC與CPC對(duì)稱軸交于點(diǎn)C，使以BC為對(duì)稱軸、B為焦點(diǎn)、C為頂點(diǎn)作拋物線B，且使拋物線B恰好交漸開(kāi)線A與點(diǎn)A，且與線段BE延長(zhǎng)線交于點(diǎn)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(dǎo)桿支座、導(dǎo)桿、導(dǎo)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(dǎo)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(zhǎng)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(dāng)?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(dāng)?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(dāng)太陽(yáng)按照一天變化時(shí)，光線通過(guò)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(guò)反光鏡和CPC反射回真空集熱管上；當(dāng)太陽(yáng)隨緯度發(fā)生季節(jié)性變化時(shí)，焦線向南北方向偏移，當(dāng)偏移出CPC的開(kāi)口大小時(shí)，通過(guò)導(dǎo)桿和導(dǎo)桿滑套進(jìn)行手動(dòng)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(guò)CPC反射回真空集熱管上. 滑移調(diào)節(jié)時(shí)間按照當(dāng)?shù)鼐唧w的地理位置、CPC的最大接收角及開(kāi)口大小確定.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 集熱器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹

為了驗(yàn)證滑移式線性菲涅爾太陽(yáng)能聚光集熱器的可靠性，在坐標(biāo)(113°17′E，23°08′N)搭建了聚光實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖4所示. 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括線性菲涅爾集熱器、低溫恒溫水槽、安捷倫測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和太陽(yáng)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(zhǎng)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(jì)并制造出CPC的開(kāi)口大小為261 mm，高度為265 mm，長(zhǎng)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(guò)扇形連接板調(diào)整導(dǎo)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.4 Experimental platform of slip linear Fresnel collector

2.2 集熱器實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了凸顯有無(wú)滑移裝置的集熱器的集熱效率差別，實(shí)驗(yàn)中以菲涅爾透鏡處于導(dǎo)桿正中位置作為基準(zhǔn)位置. 在實(shí)驗(yàn)日期為2018年11月29日和30日(太陽(yáng)赤緯角?21°)，真太陽(yáng)時(shí)10：00～14：00進(jìn)行聚光集熱實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為廣州大學(xué)城. 將集熱器按東西方向放置，進(jìn)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(wú)滑移(菲涅爾透鏡仍位于基準(zhǔn)位置)時(shí)，集熱器的集熱性能研究. 實(shí)驗(yàn)通過(guò)太陽(yáng)直射輻照儀測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中太陽(yáng)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(cè)量真空集熱管入口溫度和出口溫度，并通過(guò)安捷倫Agilent34970A型數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集時(shí)間間隔為5 min. 調(diào)節(jié)連接在管道上轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量讀數(shù)，使流過(guò)真空集熱管的水流量恒為60 L/h. 太陽(yáng)直射輻照度、真空集熱管的進(jìn)口溫度及出口溫度隨時(shí)間的變化情況如圖5所示.

圖 5 太陽(yáng)直射輻照度、進(jìn)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(yáng)時(shí)10：00～13：00時(shí)，太陽(yáng)直射輻照度基本維持在700～750 W/m2，在真太陽(yáng)時(shí)13：00后稍有下降. 集熱器進(jìn)口溫度基本維持在25 ℃左右，出口溫度先隨真太陽(yáng)時(shí)的變化逐漸升高，在12：30左右達(dá)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(yáng)時(shí)10：00～14：00時(shí)，太陽(yáng)直射輻照度基本維持在700 W/m2左右.集熱器進(jìn)口溫度基本維持在25 ℃左右，出口溫度先隨真太陽(yáng)時(shí)的變化稍微升高，然后逐漸下降，進(jìn)出口溫差變化不大.

集熱系統(tǒng)的集熱效率計(jì)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(jìn)、出口溫度，℃；I為太陽(yáng)直射輻照度，W/m2；S為集熱器采光面積，S=0.384 m2.

通過(guò)以上參數(shù)并結(jié)合式(4)，可計(jì)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(shí)，集熱器在系統(tǒng)穩(wěn)定后，即在真太陽(yáng)時(shí)10：30～12：00時(shí)，集熱器的集熱效率隨著太陽(yáng)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(yáng)入射傾角的增加，太陽(yáng)光經(jīng)匯聚后能被真空管接收到的能量逐漸減少，導(dǎo)致工質(zhì)得到的熱能隨之下降，結(jié)果表現(xiàn)為集熱器進(jìn)出口溫差降低，集熱效率降低. 集熱器無(wú)滑移時(shí)，集熱器的集熱效率無(wú)明顯變化，這是由于無(wú)滑移時(shí)，太陽(yáng)赤緯角過(guò)大，光線入射角大，使透過(guò)菲涅爾透鏡形成的焦線無(wú)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(shí)的平均集熱效率為22.90%，而無(wú)滑移時(shí)的平均集熱效率僅為6.40%，因此集熱器在有滑移時(shí)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(wú)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(wèn)題的能力，可定義和追蹤數(shù)百萬(wàn)條光線，它以實(shí)體對(duì)象來(lái)構(gòu)建光路系統(tǒng)，并通過(guò)計(jì)算反射、折射、吸收和衍射等行為來(lái)模擬光線與實(shí)體表面的作用，能夠?qū)φ鎸?shí)場(chǎng)景進(jìn)行計(jì)算和顯示.

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的滑移式線性菲涅爾集熱器的可靠性，以下采用TracePro光學(xué)模擬軟件對(duì)集熱器進(jìn)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(jì)三維模型，選取集熱器在太陽(yáng)一年運(yùn)行過(guò)程中的典型位置進(jìn)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(yáng)光光譜，波長(zhǎng)從0.74～1.642 μm，各波長(zhǎng)的權(quán)重以NASA太陽(yáng)光譜與材料參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，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(yáng)典型位置對(duì)應(yīng)一天真太陽(yáng)時(shí)為10：00至14：00，間隔為半小時(shí)的聚光光斑情況進(jìn)行光路模擬.

3.2 一天模擬結(jié)果及分析

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

圖 7 太陽(yáng)赤緯角為-21°時(shí)聚光光斑分布輻照?qǐng)DFig.7 Irradiation diagram of concentrated spot distribution when the solar declination angle is -21°

由圖7可知，當(dāng)真太陽(yáng)時(shí)從10：00至14：00，太陽(yáng)位置自東向西轉(zhuǎn)動(dòng)，因此聚光光斑整體自西向東移動(dòng). 當(dāng)真太陽(yáng)時(shí)為10：00時(shí)，聚光光斑位于真空集熱管西側(cè)，光線部分通過(guò)反光鏡反射回來(lái). 當(dāng)真太陽(yáng)時(shí)為11：00時(shí)，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(lái)，因此可以看出在西側(cè)位置處存在能流密度較強(qiáng)的光斑. 當(dāng)真太陽(yáng)時(shí)為12：00時(shí)，太陽(yáng)正對(duì)著線性菲涅爾透鏡，太陽(yáng)光垂直照射，聚光光斑整體無(wú)偏移，成線性且均勻地照射在真空集熱管上. 同理，當(dāng)真太陽(yáng)時(shí)為13：00和14：00時(shí)，聚光光斑整體位于東側(cè)，部分偏移光線被反射回來(lái). 根據(jù)太陽(yáng)赤緯角為?21°時(shí)集熱器光斑總光通量變化情況及計(jì)算后的光學(xué)效率變化數(shù)據(jù)，繪制成圖8.

圖 8 太陽(yáng)赤緯角為-21°時(shí)集熱器總光通量及光學(xué)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(yáng)赤緯角為?21°時(shí)，集熱器光斑的總光通量隨著真太陽(yáng)時(shí)的變化，呈現(xiàn)先增大后減少的對(duì)稱分布規(guī)律變化. 集熱器平均總光通量為124.56 W，其中，當(dāng)真太陽(yáng)時(shí)為12：00時(shí)，真空集熱管表面處達(dá)到最大總光通量141.37 W. 集熱器的光學(xué)效率也呈現(xiàn)先增大后減少的對(duì)稱分布規(guī)律變化，平均光學(xué)效率為46.34%. 其中，當(dāng)真太陽(yáng)時(shí)為12：00時(shí)，最大光學(xué)效率達(dá)到52.59%.

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

真空管傳熱過(guò)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(dá)環(huán)境空氣的過(guò)程，具體過(guò)程涉及到了導(dǎo)熱、輻射、對(duì)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(xué)效率之間可以用式(5)進(jìn)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(xué)效率.

為驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)式(5)作出集熱器系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果取不同光熱損失系數(shù)時(shí)的等效集熱效率對(duì)比圖，如圖9所示. 從圖9對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(duì)稱分布的規(guī)律. 但在真太陽(yáng)時(shí)12：00前，早上的實(shí)際太陽(yáng)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(shí)際工作溫度的非穩(wěn)態(tài)工況，因此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)略低于模擬結(jié)果；而在真太陽(yáng)時(shí)12：00后，集熱器工作穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與光熱損失系數(shù)均取0.88時(shí)的模擬結(jié)果較為一致，由此表明模擬結(jié)果準(zhǔn)確可靠. 其中，當(dāng)光熱損失系數(shù)均取0.88時(shí)，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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及模擬結(jié)果對(duì)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(jìn)一步對(duì)上述滑移式線性菲涅爾集熱器進(jìn)行光斑模擬分析，對(duì)集熱器在太陽(yáng)1 a運(yùn)行過(guò)程中的典型位置進(jìn)行光路模擬，在相同條件下，分別模擬集熱器在有滑移和無(wú)滑移時(shí)，集熱器真空集熱管表面處的光斑變化情況. 太陽(yáng)典型位置分別取太陽(yáng)赤緯角為+23°26′、+11°43′、0°、?11°43′、?23°26′，對(duì)應(yīng)1 d真太陽(yáng)時(shí)為10：00至14：00，間隔為半小時(shí)的聚光光斑情況進(jìn)行光路模擬.

3.3.1 有滑移時(shí)模擬結(jié)果分析

按照上述步驟，對(duì)有滑移時(shí)集熱器全年光斑變化情況進(jìn)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(shí)，全年的集熱效率呈現(xiàn)先增大后減少的拋物線對(duì)稱分布規(guī)律變化，集熱器全年平均集熱效率為27.11%. 當(dāng)太陽(yáng)赤緯角為0°、真太陽(yáng)時(shí)為12：00時(shí)，集熱器達(dá)到最大集熱效率37.20%.

圖 10 有滑移時(shí)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(wú)滑移時(shí)模擬結(jié)果分析

同理，對(duì)無(wú)滑移時(shí)集熱器全年光斑變化情況進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖11所示. 從圖11中可以看出，集熱器太陽(yáng)赤緯角為0°時(shí)，集熱效率呈現(xiàn)先增大后減少的對(duì)稱分布規(guī)律變化，但在其他太陽(yáng)赤緯角位置時(shí)，集熱效率較低且基本變化不大. 其中，當(dāng)太陽(yáng)赤緯角為0°、真太陽(yáng)時(shí)為12：00時(shí)，集熱器達(dá)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(dāng)太陽(yáng)光入射角發(fā)生變化時(shí)，經(jīng)過(guò)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(dāng)入射角過(guò)大使光斑偏移超出CPC的最大開(kāi)口位置及反光鏡面時(shí)，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(wú)滑移時(shí)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(yáng)赤緯角為0°時(shí)，有滑移和無(wú)滑移時(shí)的集熱效率是一致的. 但隨著太陽(yáng)赤緯角及真太陽(yáng)時(shí)的變化時(shí)，有滑移時(shí)集熱器的全年平均集熱效率明顯高于無(wú)滑移時(shí)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(shí)比無(wú)滑移時(shí)所收集到的太陽(yáng)能效率更高，效果更好.

4 結(jié) 論

本文針對(duì)線性菲涅爾集熱器，作了工作原理分析，并設(shè)計(jì)出了滑移式線性菲涅爾太陽(yáng)能集熱器. 為驗(yàn)證該集熱器的可靠性，對(duì)集熱器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與模擬分析，得到結(jié)論如下：

(1) 對(duì)搭建的滑移式線性菲涅爾集熱器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得出了滑移式線性菲涅爾集熱器在有滑移時(shí)的平均集熱效率為22.90%，而無(wú)滑移時(shí)的平均集熱效率僅為6.40%，因此集熱器在有滑移時(shí)集熱效果顯著.

(2) 在TracePro中，對(duì)設(shè)計(jì)出來(lái)的集熱器進(jìn)行光路模擬，對(duì)光斑分布輻照?qǐng)D進(jìn)行了分析，得到了在太陽(yáng)赤緯角為?21°，真太陽(yáng)時(shí)10：00～14：00時(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，兩者較為吻合，從而驗(yàn)證了模擬的可靠性.

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