新型V 形接收體復(fù)合拋物面聚光器性能分析

李怡暄， 李建業(yè)， 李雅茹， 郭帥軍， 常澤輝，2

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 太陽能應(yīng)用技術(shù)工程中心， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

由于太陽能的能流密度較低，使得在光熱利用過程中難以實(shí)現(xiàn)中、高溫供能[1]。 通過太陽能聚光集熱系統(tǒng)（槽式拋物面聚光集熱系統(tǒng)、塔式太陽能聚光集熱系統(tǒng)和碟式太陽能聚光集熱系統(tǒng)等）可以獲取高品位熱能，但上述聚光集熱系統(tǒng)在應(yīng)用過程中須要配置精密的追日跟蹤裝置，導(dǎo)致投資成本較高，此外，還須要專業(yè)人員進(jìn)行維護(hù)，因此，適合于規(guī)?；瘧?yīng)用的場合。

1974 年，Winston 首次提出了槽式復(fù)合拋物面 聚 光 器 （Compound Parabolic Concentrator，CPC），并對其開展了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)接收體與聚光器反射面的接觸是導(dǎo)致接收體熱損失增大的原因[2]。 槽式復(fù)合拋物面聚光器是一種基于邊緣光學(xué)原理設(shè)計(jì)出的低聚光比非成像太陽能捕獲裝置，該裝置可以將接收角范圍內(nèi)的入射光線按照理想聚光比傳輸?shù)浇邮阵w上，此外，該裝置除了可以接收直射光，還可以接收部分散射光[3]。 槽式復(fù)合拋物面聚光器焦斑處的接收體分為平板形接收體和圓柱形接收體[4]。 Zhang Gaoming 通過建立數(shù)學(xué)模型預(yù)測了平板接收體表面不均勻能流密度對線聚焦光伏光熱裝置性能的影響機(jī)理[5]。袁振華利用光學(xué)軟件對圓柱型接收體的最佳位置進(jìn)行了性能分析， 得到了采光口平面能流密度的分布情況[6]。陳飛提出了一種帶有新型圓形接收體的太陽能復(fù)合拋物面聚光器，通過分析發(fā)現(xiàn)，新型聚光器中接收體表面上的能流分布比傳統(tǒng)復(fù)合拋物面聚光器更均勻， 新型聚光器的平均光學(xué)效率達(dá)到了86.77%[7]。 車德勇對復(fù)合拋物面聚光器內(nèi)真空玻璃管夾層的傳熱特性進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬，分析結(jié)果表明，當(dāng)環(huán)形空間壓力減小至1 Pa 時(shí)， 熱損失不再受環(huán)形空間壓力的影響，這可以作為CPC 內(nèi)聚光式集熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的依據(jù)[8]。 Chen Fei 對比分析了外置復(fù)合拋物面聚光器玻璃真空管和普通玻璃真空管的總熱效率，分析結(jié)果表明，外置復(fù)合拋物面聚光器玻璃真空管的總熱效率為66.8%，高于普通玻璃真空管[9]。Messaouda 設(shè)計(jì)出了一種可實(shí)時(shí)對日跟蹤的槽式復(fù)合拋物聚光太陽能儲能裝置，通過增設(shè)透明真空隔熱接收體和自動夜間閉合機(jī)構(gòu)減少了儲能裝置的散熱損失，分析結(jié)果表明，該儲能裝置的熱損失系數(shù)為4 W/K[10]。 馬軍利用Matlab 軟件建立了復(fù)合拋物面聚光器模型，分析了聚光器的幾何光學(xué)效率及其影響因素，分析結(jié)果表明，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)減小吸熱管水平方向或垂直方向的偏移[11]。

復(fù)合拋物面太陽能聚光集熱系統(tǒng)可以為建筑采暖、物料干燥等提供熱能，在運(yùn)行過程中，須要注意液體工作介質(zhì)的滲漏、熱漲、防凍和成本等問題[12]。采用空氣作為工作介質(zhì)時(shí)，可以避免上述問題。 因此，本文將帶有V 形黑色不銹鋼板的單層玻璃管作為復(fù)合拋物面聚光器的接收體，并利用光學(xué)仿真軟件對V 形接收體復(fù)合拋物面聚光器內(nèi)光線的傳輸情況進(jìn)行光線追跡。 此外，還搭建了V 形接收體復(fù)合拋物面聚光器試驗(yàn)系統(tǒng)，在晴天條件下，測試了空氣流速對接收體出口溫度、腔內(nèi)溫度等參數(shù)， 并分析了空氣流速與聚光器集熱效率之間的關(guān)系， 為槽式復(fù)合拋物面聚光器的實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。

1 V 形接收體復(fù)合拋物面聚光器

對于以空氣作為工作介質(zhì)的復(fù)合拋物面聚光器， 采用玻璃真空管時(shí)， 會出現(xiàn)真空夾層光學(xué)損失，此外，玻璃真空管價(jià)格較高，安裝精度要求也較高。復(fù)合拋物面聚光器屬于內(nèi)聚光型聚光器，接收體位于聚光器反射面的內(nèi)部， 通過增設(shè)側(cè)壁面并加蓋玻璃蓋板可以形成“溫室效應(yīng)”，從而有效減少聚光集熱過程中聚光器的散熱損失， 降低集熱系統(tǒng)的建造成本和運(yùn)維費(fèi)用。

V 形接收體復(fù)合拋物面聚光器試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及聚光器的光學(xué)原理如圖1 所示。

圖1 V 形接收體復(fù)合拋物面聚光器試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及聚光器的光學(xué)原理Fig.1 Structure diagram of performance testing device of compound parabolic concentrator with V type receiver

由圖1 可知，V 形接收體復(fù)合拋物面聚光器試驗(yàn)系統(tǒng)主要由槽式復(fù)合拋物面聚光器、空氣傳輸管、氣象測試系統(tǒng)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。其中，槽式復(fù)合拋物面聚光器的焦斑位置設(shè)置了V 形接收體，該接收體的開口方向與聚光器入光口方向平行。 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括溫度測試裝置、溫度采集裝置、空氣流速測試裝置和數(shù)據(jù)采集儀。 其中，溫度測試裝置采用K 型熱電偶；溫度采集裝置采用多通道巡檢儀（SINR6000C）； 空氣流速測試裝置采用熱線風(fēng)速計(jì)（TES-1340）。 此外，太陽能輻照度、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)的測試裝置采用手持氣象參數(shù)測試儀（YGSC-1）。本文通過改變試驗(yàn)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)的運(yùn)行功率來改變空氣的流速。

由圖1 還可看出， 當(dāng)太陽光正入射到聚光器時(shí)，入射到反射面AB 上、下兩端點(diǎn)處的光線a，b，經(jīng)反射后匯聚于聚光器內(nèi)玻璃管中的黑色不銹鋼板上， 則其他入射到反射面AB 的光線也均匯聚到黑色不銹鋼板上。另外，入射到聚光器底部反射面CD 上的光線同樣也匯聚到黑色不銹鋼板上。當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，玻璃管內(nèi)的空氣發(fā)生流動，從而產(chǎn)生了熱空氣。

試驗(yàn)系統(tǒng)中槽式復(fù)合拋物面聚光器的幾何尺寸是依據(jù)V 形接收體中玻璃管的幾何尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)而成。 V 形接收體復(fù)合拋物面聚光器試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖2 所示。

圖2 V 形接收體復(fù)合拋物面聚光器試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)物圖Fig.2 Photograph of performance testing device of compound parabolic concentrator with V type receiver

由圖2 可知，V 形接收體復(fù)合拋物面聚光器采用不銹鋼支架，并在支架上敷設(shè)反射鋁板，該鋁板的反射率為0.8，側(cè)壁面為弧形鍍鋅板，入光口設(shè)置了超白玻璃蓋板。 聚光器入光口的寬度為0.7 m，長度為2 m，接收體為噴涂了可選擇性吸收涂層的不銹鋼板，厚度為0.5 mm，并安裝在長度為2 m 的高透光單層玻璃管內(nèi)。此外，V 形接收體復(fù)合拋物面聚光器試驗(yàn)系統(tǒng)的安裝地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古呼和浩特市內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)太陽能光熱產(chǎn)業(yè)示范基地（40°50′N，111°42′E）。

2 V 形接收體復(fù)合拋物面聚光器光學(xué)仿真

復(fù)合拋物面聚光器性能優(yōu)劣取決于接收半角、接收體形狀和反射率等因素。接收體是實(shí)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)化的核心部件， 利用光學(xué)仿真軟件可以直觀地得到聚光器內(nèi)光線的傳輸情況， 可以實(shí)時(shí)地對接收體的形狀特征、位置等進(jìn)行優(yōu)化。本文采用光學(xué)仿真軟件中的光線追跡功能對光線進(jìn)行模擬。計(jì)算過程中，光源出射光線被接收體吸收，光線的傳播過程符合光學(xué)定律。光線追跡時(shí)，設(shè)定每條光線的出射點(diǎn)和接收點(diǎn)， 追跡光線在聚光器反射面上經(jīng)過一次或多次反射后的匯聚情況， 判斷接收體表面的能流是否符合設(shè)計(jì)要求。

本文利用SolidWorks 軟件建立V 形接收體復(fù)合拋物面聚光器的三維幾何模型， 然后將該模型導(dǎo)入到光學(xué)仿真軟件LightTools 中， 并設(shè)定聚光器的入口寬度為0.7 m，模型內(nèi)表面均為鏡面反射，V 形不銹鋼板為接收體，邊長為87 cm，夾角為60°。鑒于日地距離對太陽光傳輸?shù)挠绊?，在仿真?jì)算中，設(shè)定平面單向光源代替太陽，以模擬無限遠(yuǎn)的平行光傳輸，設(shè)置傳輸光線為100 條，則V形接收體復(fù)合拋物面聚光器內(nèi)光線的追跡如圖3所示。

圖3 復(fù)合拋物面聚光器光線追跡圖Fig.3 Ray tracing of compound parabolic concentrator

由圖3 可知， 入射到聚光器內(nèi)的入射光線經(jīng)復(fù)合拋物面聚光器反射后均匯聚于接收體表面，表明在實(shí)際應(yīng)用中， 所設(shè)計(jì)的復(fù)合拋物面聚光器可以在太陽光正入射的情況下，在V 形接收體表面上實(shí)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)化，并對外輸出熱流體。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文基于光學(xué)仿真結(jié)果，在晴天條件下，利用V 形接收體復(fù)合拋物面聚光器 （以下簡稱為聚光器）試驗(yàn)系統(tǒng)測試了接收體進(jìn)、出口溫度，聚光器腔內(nèi)溫度和玻璃蓋板溫度等參數(shù)， 分析了接收體內(nèi)空氣流速（以下簡稱為空氣流速）對聚光器集熱效率的影響。 測試時(shí)間為2019 年10 月7 日。

為了提高V 形接收體復(fù)合拋物面聚光器試驗(yàn)系統(tǒng)的測試精度， 選擇測試日太陽輻照度變化較小的正午時(shí)分作為測試時(shí)段， 該測試日的空氣質(zhì)量等級為優(yōu)，聚光器朝向?yàn)檎戏较颍⒄龑χ肷涮柟?。測試日，環(huán)境溫度和太陽輻照度隨時(shí)間的變化情況如圖4 所示。

圖4 測試日，太陽輻照度值和環(huán)境溫度隨時(shí)間的變化情況Fig.4 Variation of solar irradiance and ambient temperature during the measurement

圖5 不同空氣流速下，接收體的進(jìn)、出口溫度隨時(shí)間的變化情況Fig.5 Variations of temperatures of the receiver inlet and outlet with operation time under different air velocity

不同空氣流速Va下，接收體進(jìn)、出口溫度隨時(shí)間的變化情況如圖5 所示。 由于不同空氣流速下，接收體進(jìn)口溫度基本一致，因此，圖中只給出了當(dāng)空氣流速為1.03 m/s 時(shí)的接收體進(jìn)口溫度。

由圖5 可知，測試時(shí)間內(nèi)，接收體出口溫度隨著空氣流速的增加而降低。 當(dāng)空氣流速為1.03 m/s 時(shí)，接收體出口平均溫度為69.7 ℃，比空氣流速為3.03 m/s 時(shí)升高了25.9 ℃， 這是由于當(dāng)空氣流速較小時(shí)，空氣在接收體內(nèi)的停留時(shí)間較長，因此，能夠進(jìn)行充分換熱。

在V 形接收體復(fù)合拋物面聚光器內(nèi)選用單層玻璃管會導(dǎo)致高溫運(yùn)行時(shí)散熱損失增加， 影響聚光器的集熱效率。不同空氣流速下，聚光器腔內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化情況如圖6 所示。

圖6 不同空氣流速下，聚光器腔內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化情況Fig.6 Variations of temperatures of the concentrator chamber with operation time under different air velocity

由圖6 可知，空氣流速逐漸減小，聚光器腔內(nèi)溫度逐漸升高。當(dāng)空氣流速為3.03 m/s 時(shí)，聚光器腔內(nèi)平均溫度為42.5 ℃，比空氣流速為2.01，1.03 m/s 時(shí)， 分別降低了2.1，8.3 ℃， 均高于環(huán)境溫度（25.9 ℃）， 表明聚光器腔內(nèi)存在明顯的 “溫室效應(yīng)”。

聚光器入光口處玻璃蓋板的作用： ①保護(hù)聚光器內(nèi)的易損部件，保證相關(guān)設(shè)備的性能；②玻璃蓋板與聚光器構(gòu)成了封閉腔體，當(dāng)聚光器運(yùn)行時(shí)，會產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”，這樣能夠減弱單層玻璃管接收體對聚光器散熱損失的影響， 并降低聚光器的建造成本。

聚光器中的玻璃蓋板會吸收部分太陽輻射能， 并且會與接收體和腔內(nèi)空氣分別進(jìn)行輻射傳熱和對流換熱，并將所獲得的熱能散失到環(huán)境中，這是造成聚光器散熱損失的原因之一，因此，須要分析空氣流速對玻璃蓋板溫度的影響， 為進(jìn)一步提高聚光器的性能提供參考。

不同空氣流速下， 玻璃蓋板溫度隨時(shí)間的變化情況如圖7 所示。

圖7 不同空氣流速下，玻璃蓋板溫度隨時(shí)間的變化情況Fig.7 Variations of temperatures of the concentrator glass cover with operation time under different air velocity

由圖7 可知，在測試時(shí)間內(nèi)，玻璃蓋板溫度高于30 ℃，并且隨空氣流速的增大而降低。 當(dāng)空氣流速為1.03 m/s 時(shí)，玻璃蓋板溫度為36.8 ℃，比空氣流速為2.01，3.03 m/s 時(shí)，分別升高了3，5.7 ℃。

不同空氣流速下， 聚光器集熱效率隨時(shí)間的變化情況如圖8 所示。

圖8 不同空氣流速下，聚光器集熱效率隨時(shí)間的變化情況Fig.8 Variations of efficiency of the concentrator with operation time under different air velocity

由圖8 可知，聚光器集熱效率隨著空氣流速的增加而增大。當(dāng)空氣流速為3.03 m/s 時(shí)，聚光器平均集熱效率為58.97%， 比空氣流速為1.03 m/s時(shí)，增加了47.91%。 這是由于當(dāng)接收體內(nèi)空氣流速較小時(shí)，接收體內(nèi)空氣溫度的升高幅度較大，因此，接收體的散熱損失較大，此外，隨著空氣流速逐漸增大，玻璃管內(nèi)空氣的流動狀態(tài)由層流逐漸向紊流過渡，強(qiáng)化了流動空氣與V 形不銹鋼板之間的換熱，因此，當(dāng)空氣流速增大時(shí)，聚光器的集熱效率隨之增加。

4 結(jié)論

為了便于對空氣介質(zhì)進(jìn)行加熱，本文設(shè)計(jì)了一種帶有V 形接收體的復(fù)合拋物面聚光器，并利用光學(xué)仿真軟件對聚光器內(nèi)的光線進(jìn)行追跡。 此外，通過試驗(yàn)測試了不同空氣流速下，接收體進(jìn)、出口空氣溫度，聚光器腔內(nèi)溫度，玻璃蓋板溫度的變化趨勢，分析了接收體內(nèi)空氣流速對聚光器集熱效率的影響，分析結(jié)果如下。

①通過光學(xué)仿真發(fā)現(xiàn)，入射光線均能夠傳輸?shù)絍 形接收體上。

②接收體出口溫度、聚光器腔內(nèi)溫度均隨著空氣流速增大而降低，玻璃蓋板溫度隨著空氣流速的減小而降低。 當(dāng)空氣流速為1.03 m/s 時(shí)，接收體出口平均溫度為69.7 ℃， 比空氣流速為3.03 m/s 時(shí)，升高了25.9 ℃；腔內(nèi)平均溫度為50.8℃，比空氣流速為2.01 m/s 時(shí)，升高了6.2 ℃。

③聚光器集熱效率隨著空氣流速的增大而增大，當(dāng)空氣流速為3.03 m/s 時(shí)，聚光器平均集熱效率為58.97%，比空氣流速為1.03 m/s 時(shí)，增加了47.91%。