線性菲涅爾聚光器的腔體吸收器研究進(jìn)展

戴 娟，浦紹選，楊 康 (云南師范大學(xué)太陽能研究所云南省農(nóng)村能源工程重點實驗室，云南昆明650092)

線性菲涅爾太陽能集熱器主要由光學(xué)聚光器、接收器、太陽跟蹤控制裝置3部分構(gòu)成，其接收器核心部件是吸收器［1］?，F(xiàn)研究的吸收器主要有2種:真空管吸收器和腔體吸收器。真空管吸收器由表面鍍有選擇性膜層的金屬內(nèi)管和玻璃外套管組成，內(nèi)管與外管之間為真空，以減少對流和導(dǎo)熱損失，通常稱為槽式真空集熱管。真空集熱管對陽光的吸收率高，工作時的發(fā)射率低。但是，為了保持其長期高真空度及選擇性涂層的穩(wěn)定，金屬管與玻璃管間封接技術(shù)要求高，工藝復(fù)雜，制作成本相對較高［2］。腔體吸收器結(jié)構(gòu)為一槽式腔體，腔體內(nèi)壁涂有選擇性涂層，外壁包裹隔熱材料。腔體吸收器與真空管相比，結(jié)構(gòu)更為簡單，經(jīng)聚焦的輻射熱流幾乎均勻地分布在腔體內(nèi)壁，具有較低的投射輻射能流密度，開口有效溫度的降低使得熱損失也隨著降低，有較好的熱穩(wěn)定性［3］，腔體吸收器的腔體內(nèi)壁溫度較為平均，有效減小了內(nèi)壁與工作流體間的溫差，腔體開口有效溫度降低，進(jìn)而熱損失降低［4］;腔體吸熱器吸收熱量過程發(fā)生在焦點后，因為其內(nèi)表面積足夠大，向工作流體傳熱效果較好［5］，而且在同樣工況下，流體平均溫度大于230℃時，應(yīng)用腔體吸收器的集熱效率大于真空管［6］?，F(xiàn)研究表明腔體吸收器較真空管吸收器經(jīng)濟(jì)效益更好，在市場競爭中更有優(yōu)勢。

與以往的槽式，塔式，碟式聚光相比，線性菲涅爾反射鏡聚光器的聚光效果比較低，用真空管作為吸收器時需要增加2次聚光裝置才能保證吸收器能更多地接收到太陽光線，而腔體吸收器開口較大，不需要2次聚光裝置［7］，使整個接收器的結(jié)構(gòu)更為簡單。線性菲涅爾反射集熱器屬于中溫應(yīng)用，主要輸出80～250℃的熱源，現(xiàn)已證明此溫度段采用真空管和腔體作為吸收器均能達(dá)到較高的熱效率［1］，而腔體吸收器無真空裝置，可以有效地降低工藝成本、也避免了真空管吸收器對玻璃和金屬封接技術(shù)的高要求［8］，因此，在線性菲涅爾集熱器中使用腔體吸收器有其自身優(yōu)勢。

腔體吸收器的外形結(jié)構(gòu)有多種，目前國內(nèi)外研究的腔體吸收器的截面結(jié)構(gòu)類型有長方形、正方形、半圓形、圓弧型、三角形、梯形、圓柱形、圓錐形等。在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，有管簇結(jié)構(gòu)和環(huán)套結(jié)構(gòu)2種。通過總結(jié)分析國內(nèi)外學(xué)者對腔體吸收器的研究進(jìn)展，探討接收器的基本原理、結(jié)構(gòu)類型、適于溫度、接收寬度要求、熱性能要求等技術(shù)層面的問題，希望對其實際應(yīng)用有推進(jìn)作用。

1 線型腔體吸收器基本原理

線聚光器將太陽光聚焦到腔體吸收器的開口處，吸收器開口處的太陽光線進(jìn)入腔體內(nèi)部，太陽光所含能量一部分在開口處被損失在環(huán)境中，其余被腔體內(nèi)壁吸收，再次損失后被腔體內(nèi)的導(dǎo)熱液體吸收。開口處的熱損失包括對流和輻射損失。導(dǎo)熱液體吸收的熱量一部分隨液體的流動被帶走作為有用能，另一部分通過腔體壁導(dǎo)熱損失在環(huán)境中。以圓弧型腔體吸收器為例，腔體吸收器的熱傳遞如圖1所示，線性菲涅爾反射太陽能集熱器的工作原理如圖2所示。

腔體吸收器的熱量損失主要為在開口處的對流與輻射損失及腔體壁的熱阻損失，因此腔體吸收器熱性能的改進(jìn)應(yīng)提高開口處對光線的吸收率，降低其對光線的發(fā)射率;減少腔體吸收器的熱阻，降低熱損系數(shù)。目前國內(nèi)外對腔體吸收器的研究著重在于改進(jìn)其結(jié)構(gòu)外形，優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以求尋找出一種最優(yōu)的腔體結(jié)構(gòu)的吸收器。

2 線性菲涅爾聚光器的腔體吸收器研究進(jìn)展

早在20世紀(jì)七、八十年代，當(dāng)人們對玻璃金屬真空管吸收器的研究深入到一定的程度，許多學(xué)者轉(zhuǎn)而研究沒有真空夾層的腔體吸收器。1976年Boyd［9］提出了沒有真空夾層的圓柱形腔體吸收器，光線接收面為圓柱的一個底面，導(dǎo)熱液體在環(huán)形圓槽內(nèi)流動，圓柱的外壁包裹著保溫材料以減少熱損失。20世紀(jì)80～90年代，許多學(xué)者對這一類型結(jié)構(gòu)的腔體吸收器進(jìn)行了研究，但當(dāng)時的腔體吸收器的結(jié)構(gòu)單一，在中溫應(yīng)用中熱效率不高，因此，對其的研究很快被擱置了。雖然只是曇花一現(xiàn)，但提出沒有真空夾層的腔體吸收器的想法卻是為后來腔體吸收器的創(chuàng)新、完善、應(yīng)用作出了貢獻(xiàn)。

近年來線性菲涅爾反射聚光器被提出，與真空管吸收器相比腔體吸收器與其結(jié)合更有優(yōu)勢，腔體吸收器的研究又被提到研究熱點上。針對不同腔體吸收器，菲涅爾聚光器的設(shè)計也不相同。林蒙［10］根據(jù)前人在塔式腔體吸收器上的研究進(jìn)展與不足，提出了出了2種基于腔體吸收器的菲涅爾反射式聚焦型太陽能集熱器模型，一種是利用單軸跟蹤的線聚焦反射鏡聚光器，腔體吸收器為三角形結(jié)構(gòu)，腔體內(nèi)壁上安裝緊密排列的銅圓管;另一種利用雙軸跟蹤的點聚焦菲涅爾反射鏡聚光器，采用圓弧形2次聚光裝置將光線聚集于安裝在地面上的圓錐空腔腔體吸收器內(nèi)。2種模型分別有各自的優(yōu)缺點(見表1)。

2種模型的都有由于模型規(guī)模較小，反射鏡數(shù)量不夠，致使吸收器有端部損失，其中三角形腔體吸收器的聚光裝置為單軸跟蹤，跟蹤精度不夠，端部損失更明顯，尤其是在冬季。但是在大規(guī)模的應(yīng)用中，由于反射鏡片更多，加上不可避免的實際跟蹤和加工誤差，致使吸收器的端部損失會減小，達(dá)到可忽略不計的效果。同時從結(jié)構(gòu)上看，三角形腔體吸收器的結(jié)構(gòu)模型更為簡便。

表1 兩種腔體接收器的優(yōu)缺點

從試驗與理論計算可以得出2種腔體吸收器的最大光學(xué)效率即太陽光線垂直入射在反光鏡上時，分別為77.46%和65.00%，試驗結(jié)果與理論結(jié)果誤差不大。通過理論計算得出集熱器效率與腔體吸收器工作溫度，熱損系數(shù)有關(guān)，其中腔體吸收器的性能越優(yōu)良，能達(dá)到的最大滯止溫度，且溫度越高，則熱損失越小，集熱器的效率越高。并得出集熱器熵產(chǎn)最小即集熱器的最佳運行工況時腔體吸收器的運行溫度就是集熱器最佳運行溫度，此時集熱器的最佳運行溫度為環(huán)境溫度和滯止溫度的幾何平均值。此模型是基于無跟蹤誤差，腔體被看作是完全黑體，表面溫度一致均勻，腔體外表面溫度與環(huán)境溫度完全一致的理想條件下建立的模型，計算結(jié)果與實際有偏差，但基本能反應(yīng)腔體接收器與線性菲涅爾集熱器的線性關(guān)系。

研究以腔體接收器作為吸收器的線性菲涅爾集熱器中熱損失中輻射熱損失占主導(dǎo)地位，而腔體吸收器的底端開口處為主要的熱損失通道。腔體吸收器底端開口處通常分為無蓋板和有蓋板。S.Flores Larsen［11］研究用于線性菲涅爾反射聚光器的空腔梯形腔體和內(nèi)部有一套管的腔體腔體接收器的熱量損失。測量顯示梯形腔體的上部的和下部對流區(qū)穩(wěn)定度相對穩(wěn)定，91.00%左右的熱轉(zhuǎn)移發(fā)生在底部的透明窗口處，腔體吸收器的熱損系數(shù)與其內(nèi)部的平均溫度成正相關(guān)。R.Manikumar［12］通過數(shù)值模擬與與試驗研究分析得出結(jié)合線性菲涅爾作為聚光器的梯形腔體吸收器有蓋板的較之無蓋板的總熱損失系數(shù)更小。戴貴龍［13］等人建立了具有石英窗口的太陽能高溫吸收器的能量傳遞與轉(zhuǎn)換模型，分析得出吸熱腔溫度分布對熱轉(zhuǎn)換效率有顯著影響，腔體內(nèi)溫度分布峰值離太陽入射窗口越遠(yuǎn)，效率越高。其他條件相同時，增大幾何聚光比，將地?zé)徂D(zhuǎn)換溫度，提高壁面吸收率可提高熱轉(zhuǎn)換效率。圖3、4顯示腔體吸收器不同的最佳運行溫度下，蓋板的最佳透過波長對腔體吸收器的效率影響，不同的最佳運行溫度與蓋板的最佳透過波長的關(guān)系。

2.1 腔體接收器熱損失途徑與解決方案的研究 由上分析得，中溫段無蓋板較之有蓋板時腔體吸收器的熱轉(zhuǎn)換效率更高;高溫段，腔體吸收器有蓋板時熱轉(zhuǎn)換效率更高。溫度越高，蓋板的最佳截止波長越小，可見蓋板主要抑制的是長波長光線，短波長可以透過。在蓋板材料的選擇時應(yīng)根據(jù)腔體吸收器內(nèi)部的平均溫度選擇不同最佳截止波長的蓋板，如果一味選擇截止波長大或小的材料制作蓋板，都不能使腔體吸收器的熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最佳。

2.2 腔體接收器的幾何結(jié)構(gòu)與熱損失的關(guān)系 腔體吸收器的幾何結(jié)構(gòu)也是影響其熱損失的一個主要方面，不同幾何結(jié)構(gòu)的腔體吸收器的熱損，熱遷移因子，效率因子各不相同，這些運行參數(shù)與性能指標(biāo)也是影響集熱器參數(shù)的重要條件。J Facao［14］等人對運用梯形結(jié)構(gòu)腔體吸收器的線性菲涅爾反射鏡太陽能集熱器的光學(xué)性能以及熱性開展了全面研究。得出集熱溫度從110℃升至285℃時，熱損失系數(shù)增加了2.96 W/(m2K)。謝文韜［15］提出了基于線性菲涅爾反射鏡聚光器的8種結(jié)構(gòu)的腔體吸收器，三角形、圓弧形、半圓形、長方形、正梯形、反梯形、復(fù)合梯形、曲面形，利用TracePro軟件的光線跟蹤，模擬出8種腔體吸收器內(nèi)部的光線及熱量分布，得出的能量分布圖。研究結(jié)果顯示，采用圓弧形腔體吸收器、長方體形腔體吸收器、正梯形腔體吸收器、復(fù)合梯形腔體吸收器和曲面形腔體吸收器的線聚焦菲涅爾透鏡太陽能集熱器具有較好的光學(xué)性能，從腔體開口射入的光線經(jīng)過腔體內(nèi)壁面的多次反射和吸收，沒有光線逸出腔體吸收器，而其他3種線聚焦腔體吸收器或多或少有光線從腔體開口處逸出。但是，考慮腔體吸收器內(nèi)的能量分布，則等邊三角形腔體吸收器和圓弧形腔體吸收器內(nèi)部的能量分布比其他6種腔體吸收器要均勻，能夠得到較好的熱性能。圓弧形腔體吸收器與三角形腔體吸收器相比，內(nèi)部能量分布出現(xiàn)了斷層，能量密度不如三角形的高，綜合考慮采用三角形的線聚焦菲涅爾反射鏡太陽能集熱器最優(yōu)。但作者設(shè)計的8種結(jié)構(gòu)類型的腔體吸收器開口寬度都相等，均為60 mm，焦距均為1 500 mm，腔體吸收器內(nèi)壁選擇性涂層材料的吸收率，反射率為也均相同，且只是進(jìn)行了光學(xué)模擬，沒有進(jìn)行實物試驗，所得結(jié)論過于狹隘，不夠有說服力。X wei［16］對8種不同結(jié)構(gòu)類型的腔體吸收器進(jìn)行計算與試驗驗證，計算結(jié)果與試驗結(jié)果一致，對線聚焦菲涅耳透鏡的太陽能集熱器，三角形空腔接收器顯示出最佳的熱性能。運行溫度為180℃時最高的試驗的散熱系數(shù)約為0.805 W/(m2K)。

經(jīng)過國內(nèi)外多位學(xué)者的研究，基本可以確定腔體接收器的幾何形狀，但從幾何結(jié)構(gòu)考慮，具有三角形結(jié)構(gòu)的腔體接收器較之其他結(jié)構(gòu)的腔體具有最優(yōu)的熱性能。雖然謝文韜在模擬時發(fā)現(xiàn)了三角形腔體吸收器的頂端由于被遮擋，不能接收到太陽光線，但是沒有再對其進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，后來的研究者都沒考慮到這個問題。

2.3 腔體吸收器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究 另外，腔體吸收器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)又分為管簇式和環(huán)套式。Barra［17］等人設(shè)計并研制了由腔體式吸收器和槽型拋物面聚光器構(gòu)成的集熱器。由于其管簇與腔體內(nèi)壁不相連，而且腔體開口對管簇的視角系數(shù)較小，因此大部分聚焦后的陽光直接照射到腔體內(nèi)，使得內(nèi)壁溫度較高，熱損較大。針對該點不足，侴喬力［18－20］在Barra的吸收器基礎(chǔ)上提出了使管簇和內(nèi)壁緊密連接的方案，將腔體作為管子的翅片。李進(jìn)等［21］建立了一種環(huán)套結(jié)構(gòu)腔體式吸收器，環(huán)套結(jié)構(gòu)的腔體式吸收器內(nèi)部的流道由半徑不同的兩個圓圍成。管簇式和環(huán)套式腔體接收器收器的單位長度熱損失均隨著工質(zhì)平均溫度增大而上升，真空管的熱損失大于管簇結(jié)構(gòu)，管簇結(jié)構(gòu)又大于環(huán)套結(jié)構(gòu)，兩種腔體吸收器截面均為圓形結(jié)構(gòu)，其光學(xué)效率相同，真空管光學(xué)效率較高，因此以真空管接收器作為吸收器的集熱器效率比腔體接收器作為吸收器的集熱器效率高。翟輝［22］對采用真空管式吸收器、三角形、正方形等3種腔體吸收器的線聚焦非涅爾透鏡太陽能集熱器進(jìn)行了研究，試驗表明:當(dāng)同等條件下水作為傳熱工質(zhì)時，采用真空管式吸收器和三角形腔體吸收器集熱溫度90℃時，真空管吸收器效率為50%，腔體吸收器則低于40%。分析得知在低溫域由于腔體吸收器熱損失較大，集熱效率低于真空管。同時發(fā)現(xiàn)采用水作為導(dǎo)熱介質(zhì)比采用油等其他比熱容高的導(dǎo)熱液體的熱損小，效率更高。

M.Lin［23］等利用簡化的光線追蹤技術(shù)來優(yōu)化的線性菲涅爾集熱器系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計模型，利用CAD模擬計算，考慮到熱傳導(dǎo)，對流與輻射的熱損失，結(jié)果得出腔體接收器熱表面溫度從90→150℃時，腔體吸收器的總熱損系數(shù)上升［6.25→7.52 W/(m2K)］，熱 效 率 從 45% 降 到 37%。Singh［24］等人研究了采用梯形形結(jié)構(gòu)腔體吸收器的線性菲涅爾集熱器，其吸收面采用方管和圓管束2種形式，試驗分析得知，圓管束吸熱面集熱效率要高于方管吸熱面。J He［25］等人利用光線追蹤和幾何光學(xué)分析，改變菲涅爾反射鏡面寬度和吸收器高度，進(jìn)而對太陽能聚光器光學(xué)性能影響因素進(jìn)行全面理論研究，切實對吸收器的優(yōu)化設(shè)計作出了一定貢獻(xiàn)。

總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者對基于菲涅爾聚光器的腔體接收器的研究發(fā)現(xiàn)，腔體接收器的光學(xué)效率不如真空管接收器高，但其開口有效溫度的降低使得熱損失也隨著降低，有較好的熱穩(wěn)定性。在相同工況下，集熱溫度低于200℃，集熱效率與真空管吸收器效率接近;集熱溫度大于230℃時，集熱效率大于真空管［15］，在實際應(yīng)用中性價比也更高。

3 線性菲涅爾聚光器腔體吸收器應(yīng)用存在問題及改進(jìn)建議

3.1 線性菲涅爾聚光器腔體吸收器應(yīng)用存在的問題 線性菲涅爾聚光器腔體吸收器中的涂層對效率影響很大，集熱效率與涂層太陽能吸收率成正相關(guān)，與涂層熱輻射率成負(fù)相關(guān)，然而吸收器涂層吸收率盲目增大會提高應(yīng)用成本。實際應(yīng)用中，一味追求吸收率與熱輻射率的高比值，增加集熱器的集熱效率，卻忽略了吸收器涂層吸收率值越大，熱輻射率小，對涂層工藝技術(shù)要求越高，涂層生產(chǎn)成本越高，致使投入與產(chǎn)出成反比，得不償失［26］。

利用熱損失測量試驗，三角形腔體吸收器與正方形、圓弧形腔體相比，在90℃中溫、150℃高溫中都表現(xiàn)出較小的熱損失。然而，實際應(yīng)用中，三角形腔體結(jié)構(gòu)卻存在一些問題:第一圓管與吸收器壁面之間利用焊錫連接，致使流體與吸收器間換熱能力降低、同時焊錫材料存在不穩(wěn)定性、高溫狀態(tài)易融化問題;第2，三角形腔體吸收器內(nèi)壁兩側(cè)保溫層材料厚度較薄、兩側(cè)方向面積較大、易造成熱損失;第3，三角形腔體內(nèi)部的導(dǎo)熱管之間會產(chǎn)生遮擋，底部的圓管遮擋了頂部圓管，使其接受不到太陽光線，這樣就造成了圓管間熱量分布不平衡，甚至頂部的溫度過低。

3.2 線性菲涅爾聚光器腔體吸收器應(yīng)用與改進(jìn)建議

(1)科學(xué)合理選用腔體吸收器涂層。線性菲涅爾聚光器腔體吸收器涂層選用時主要從3方面考慮，性價比、工藝、集熱效率。根據(jù)低溫、中高溫等不同集熱器選擇不同涂層。實際應(yīng)用時，秉持科學(xué)、合理的原則，保證吸收器工作狀態(tài)具備高效率、高穩(wěn)定性。

(2)優(yōu)化腔體結(jié)構(gòu)、改變吸收器深度。為切實解決三角形腔體吸收器存在的結(jié)構(gòu)問題，應(yīng)在保證集熱性能、減少熱損失的基礎(chǔ)上，對三角形腔體吸收器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，主要措施如下:利用三角形、正方形吸收器并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過改變?nèi)切味ń勾笮∫约扒惑w深度、結(jié)構(gòu)比例、優(yōu)化內(nèi)部，使腔體內(nèi)部溫度分布更加均勻，從而提高三角形吸收器光學(xué)性能，熱轉(zhuǎn)化效率，有效減少熱損失［27］。

(3)工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。線性菲涅爾反射鏡腔體吸收器的諸多優(yōu)勢已經(jīng)顯現(xiàn)出來，但還都是處于探討研究試驗階段，國家應(yīng)鼓勵企業(yè)對其進(jìn)行大型規(guī)模的研究，以求最終投入工農(nóng)業(yè)使用，大規(guī)模的研究也能有效降低腔體吸收器的端部損失，提高系統(tǒng)的綜合效益。

4 結(jié)論

通過線性菲涅爾聚光器的腔體吸收器發(fā)展現(xiàn)狀展開深入探究，在中低溫應(yīng)用中，線性菲涅爾聚光器采用腔體吸收器，可以有效降低工藝成本、克服玻璃真空集熱管接收光口窄和成本高的缺點。線性菲涅爾聚光器實際應(yīng)用中三角形腔體吸收器與正方形、圓弧形等腔體相比，在90℃中溫、150℃高溫中都表現(xiàn)出較小的熱損失，腔體內(nèi)部的熱量分布也更均勻，對腔體吸收器的使用年限有一定提升。在涂層的選擇上也應(yīng)該因地制宜，不同類型，不同溫度段的腔體接收器涂層各不相同。通過大量的模擬，試驗研究，未來線性菲涅爾聚光器腔體吸收器在工農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用必將有輝煌的前景。

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