應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤供熱系統(tǒng)的復(fù)合多曲面聚光器的聚光集熱性能研究

劉雪東，彭婭楠，2，邵正日，馬興龍，侯 靜，常澤輝，2

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動(dòng)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；3.營口理工學(xué)院 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 營口 115000；4.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；5.內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑設(shè)備與自動(dòng)化工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010070）

0 引言

太陽能光熱轉(zhuǎn)化裝置作為太陽能熱利用系統(tǒng)的核心裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射太陽光的收集、聚焦、吸收、轉(zhuǎn)化以及對(duì)外輸出高品位熱能的目的[1]。太陽能光熱轉(zhuǎn)化裝置包括非聚光型和聚光型兩種[2]。復(fù)合多曲面聚光器（Compound Multisurface Concentrator）是一種非成像聚光型集熱器，該聚光器由Winston教授于1974年首次提出，具有接收半角大、可接收直射光和部分散射光、對(duì)跟蹤精度要求低等特點(diǎn)[3]。目前，國內(nèi)外研究人員對(duì)復(fù)合多曲面聚光器進(jìn)行了大量研究，并廣泛應(yīng)用到實(shí)際工程中。

為了解光線入射偏角對(duì)非跟蹤復(fù)合多曲面聚光器聚光集熱性能的影響，陳嘉祥研究了不同安裝傾角下聚光器的光學(xué)性能，研究結(jié)果表明，按月份調(diào)整安裝傾角時(shí)，聚光器的年總光學(xué)效率較高，為98.1%[4]。Lara對(duì)比研究了在固定安裝與增設(shè)跟蹤系統(tǒng)條件下，復(fù)合多曲面聚光器的聚光集熱性能，研究結(jié)果表明，增設(shè)跟蹤系統(tǒng)后，聚光器接收到的太陽輻射能較多，為27.96 kW·h/m2[5]。Li Yongcai提出了一種可以增大多截面復(fù)合多曲面聚光器接收角的優(yōu)化方法，通過研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的四截面復(fù)合多曲面聚光器的接收角比傳統(tǒng)復(fù)合多曲面聚光器提高了47%[6]。李怡暄在光線正入射的條件下，對(duì)復(fù)合拋物面聚光器聚光集熱性能進(jìn)行了測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)空氣流速由3.03 m/s減小至1.03 m/s時(shí)，接收體出口處空氣最高溫度由44.13℃升高至70.9℃[7]。

此外，針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，研究人員設(shè)計(jì)了可與用能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)耦合、滿足光熱需求的復(fù)合多曲面聚光集熱裝置。Mboup設(shè)計(jì)了一種壁掛式太陽能聚光集熱器，通過研究發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，該集熱器接收到的太陽能為真空集熱管的5.5倍[8]。Deng Chenggang對(duì)可安裝于建筑南墻的真空管式復(fù)合多曲面聚光器進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該復(fù)合多曲面聚光器的最高、平均熱效率分別為55.4%，51.4%[9]。常澤輝研究了應(yīng)用于太陽能干燥系統(tǒng)的槽式復(fù)合多曲面聚光器的聚光集熱性能，通過分析發(fā)現(xiàn)，晴天，在空氣流速為6.5 m/s的條件下，當(dāng)太陽光正入射聚光器時(shí)，接收體出口處的空氣溫度比太陽光徑向入射偏角為10°時(shí)提高了7.8%[10]。李建業(yè)研究了應(yīng)用于建筑采暖系統(tǒng)的復(fù)合拋物面聚光器的聚光集熱性能，通過分析發(fā)現(xiàn)，在徑向入射偏角為10°的條件下，當(dāng)接收體中心與聚光器底部之間的間距為90 mm時(shí)，聚光器的光線接收率和聚光效率最優(yōu)，分別為65.54%，60.25%[11]。

綜上可知，由太陽高度角和方位角變化引起的光線入射偏角，對(duì)復(fù)合多曲面聚光器的聚光集熱性能影響較大。本文對(duì)復(fù)合多曲面聚光設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤供熱系統(tǒng)中，復(fù)合多曲面聚光器聚光集熱性能受光線入射偏角的影響展開研究。首先，建立了復(fù)合多曲面聚光器的三維模型，并將三維模型導(dǎo)入到光學(xué)仿真軟件TracePro中，計(jì)算并分析了徑向入射偏角對(duì)復(fù)合多曲面聚光器光線傳播聚焦過程的影響；然后，計(jì)算復(fù)合多曲面聚光器在不同光線入射偏角的光線接收率和聚光效率，并分析二者隨徑向和軸向入射偏角的變化規(guī)律?；诜抡嬗?jì)算結(jié)果，搭建了復(fù)合多曲面聚光器光熱性能試驗(yàn)臺(tái)，探究在晴天條件下，該聚光器的各運(yùn)行參數(shù)對(duì)其出口處空氣溫度和瞬時(shí)集熱量的影響機(jī)理。

1 復(fù)合多曲面聚光設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤供熱系統(tǒng)

1.1 復(fù)合多曲面聚光設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤供熱系統(tǒng)

本文將由復(fù)合多曲面聚光器組成的太陽能聚光集熱系統(tǒng)與設(shè)施農(nóng)業(yè)相結(jié)合，集成為復(fù)合多曲面聚光設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤供熱系統(tǒng)，見圖1。該系統(tǒng)可以提高種植土壤溫度、保障設(shè)施農(nóng)業(yè)冬季作物的連續(xù)生長。

圖1 復(fù)合多曲面聚光設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤供熱系統(tǒng)示意圖Fig.1 Structure diagram of compound multi-surface concentrating facility agricultural soil heating system

當(dāng)復(fù)合多曲面聚光集熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由引風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的低溫空氣經(jīng)循環(huán)管路進(jìn)入集熱系統(tǒng)中的第一個(gè)聚光器內(nèi)，并與接收太陽光線后的高溫接收體進(jìn)行換熱，空氣溫度逐漸升高；隨后，空氣進(jìn)入下一個(gè)聚光器內(nèi)，并以同樣的方式繼續(xù)升溫，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合多曲面聚光集熱系統(tǒng)內(nèi)空氣的梯級(jí)升溫；最后，高溫空氣經(jīng)循環(huán)管路進(jìn)入設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤中，將熱量經(jīng)換熱管路傳遞給種植土壤，并儲(chǔ)存在土壤中，以滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)冬季種植的需求。

復(fù)合多曲面聚光器是復(fù)合多曲面聚光設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤供熱系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)熱源，因此，復(fù)合多曲面聚光器聚光集熱性能的優(yōu)劣決定了復(fù)合多曲面聚光集熱系統(tǒng)能否輸出滿足集熱需求的高溫空氣。鑒于此，本文對(duì)復(fù)合多曲面聚光器的聚光集熱性能展開理論分析和試驗(yàn)測(cè)試。

1.2 復(fù)合多曲面聚光器三維模型的建立

為了明確復(fù)合多曲面聚光器的光學(xué)性能，本文首先利用SolidWorks軟件建立了復(fù)合多曲面聚光器三維模型[12]。復(fù)合多曲面聚光器三維模型如圖2所示。

圖2 復(fù)合多曲面聚光器三維模型Fig.2 3D model of compound multi-surface concentrator

圖2中，復(fù)合多曲面聚光器的入光口面積為1.3 m2，高度為319 mm。由圖2可知，復(fù)合多曲面聚光器由腔體、玻璃蓋板、單層玻璃管和內(nèi)置的接收體等部件組成。復(fù)合多曲面聚光器具有如下特點(diǎn)：①聚光器腔體為玻璃鋼材料，其導(dǎo)熱系數(shù)較小，可有效減少聚光器在運(yùn)行時(shí)的散熱損失；②聚光器的光熱轉(zhuǎn)化組件由內(nèi)嵌接收體的單層玻璃管構(gòu)成，其中，單層玻璃管造價(jià)低、易連接，而接收體可根據(jù)不同的用熱需求進(jìn)行優(yōu)化；③聚光器入光口處覆蓋超白玻璃蓋板，這樣不僅可以保護(hù)聚光器腔內(nèi)部件免受外界破壞，還可以有效減少接收體與環(huán)境之間的輻射和對(duì)流散熱損失。

2 復(fù)合多曲面聚光器的光學(xué)性能分析

復(fù)合多曲面聚光器將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能的過程主要包括光線匯聚和光熱轉(zhuǎn)化。實(shí)現(xiàn)聚光器高效光熱轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵是對(duì)入射光線進(jìn)行有效聚焦。利用光學(xué)仿真軟件TracePro可以直觀展現(xiàn)光線在聚光器內(nèi)的傳播與聚焦過程，并可對(duì)不同工況下聚光器的光學(xué)性能進(jìn)行仿真計(jì)算。

將建好的復(fù)合多曲面聚光器三維模型導(dǎo)入TracePro軟件中，建立500×200條矩形格點(diǎn)光源，所設(shè)定的太陽輻照度值與實(shí)際測(cè)試值相接近，為700 W/m2，設(shè)定玻璃蓋板的光線透射率與聚光反射面的光線反射率均為0.92，并將接收體設(shè)置成直徑為100 mm、表面吸收率為1的圓柱體。

2.1 徑向入射偏角對(duì)復(fù)合多曲面聚光器光學(xué)性能的影響

光線入射偏角、聚光反射面的光線反射率、接收體的形狀及其表面吸收率等均為復(fù)合多曲面聚光器光學(xué)性能的影響因素。對(duì)于朝向正南、固定安裝的復(fù)合多曲面聚光器，光線入射偏角是影響其光學(xué)性能的主要因素，而且影響程度會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間的延續(xù)而發(fā)生變化。當(dāng)聚光器沿東西方向固定安裝時(shí)，光線入射偏角可以分解為由太陽高度角引起的徑向入射偏角α和由太陽方位角引起的軸向入射偏角β。本文著重研究聚光器固定安裝時(shí)，其光學(xué)性能隨徑向入射偏角的變化規(guī)律。

在不同徑向入射偏角下，復(fù)合多曲面聚光器的光線追跡情況如圖3所示。

圖3 在不同徑向入射偏角下，復(fù)合多曲面聚光器的光線追跡Fig.3 Ray tracing of compound multi-surface concentrator at different radial deflective incidence angle

由圖3（a）可知，進(jìn)入聚光器內(nèi)的光線大部分被接收體接收，且光線在聚光器內(nèi)的傳播聚焦呈對(duì)稱分布。由圖3（b），（c），（d）可知，進(jìn)入到聚光器內(nèi)的大多數(shù)光線被接收體接收，少數(shù)光線經(jīng)聚光器反射后逸出，隨著徑向入射偏角的增大，被接收體接收的光線逐漸減少，逸出聚光器的光線逐漸增多，并且被接收體接收的大多數(shù)光線聚焦于接收體的右側(cè)表面。

綜上可知，當(dāng)徑向入射偏角變化時(shí)，會(huì)對(duì)聚光器的光學(xué)性能產(chǎn)生影響，但未能確定徑向入射偏角與聚光器光學(xué)性能的定量關(guān)系，基于此，本文采用聚光器的光線接收率和聚光效率作為復(fù)合多曲面聚光器光學(xué)性能的定量評(píng)價(jià)參數(shù)，二者的計(jì)算式分別為[13]

式中：ηn（α，β）為聚光器的光線接收率；N（α，β）為徑向入射偏角為α、軸向入射偏角為β時(shí)接收體表面接收到的光線數(shù)；N（0，0）為正入射時(shí)進(jìn)入聚光器入光口的光線數(shù)；ηo（α，β）為聚光器的聚光效率；E（α，β）為徑向入射偏角為α、軸向入射偏角為β時(shí)接收體表面的能流密度，W/m2；E（0，0）為正入射時(shí)光線進(jìn)入聚光器入光口時(shí)的能流密度，W/m2。

當(dāng)徑向入射偏角為0～20°時(shí)，復(fù)合多曲面聚光器光學(xué)性能參數(shù)（光線接收率和聚光效率）隨徑向入射偏角的變化情況如圖4所示。

圖4 復(fù)合多曲面聚光器光學(xué)性能參數(shù)隨徑向入射偏角的變化情況Fig.4 Variation of optical performance of compound multisurface concentrator with radial deflective incidence angle

由圖4可知：當(dāng)徑向入射偏角增大時(shí)，聚光器的光線接收率和聚光效率的變化趨勢(shì)一致，且光線正入射時(shí)，二者達(dá)到最高值，分別為96.00%和81.67%；當(dāng)徑向入射偏角≤14°時(shí)，聚光器的光線接收率和聚光效率受徑向入射偏角的影響較小，僅當(dāng)徑向入射偏角為4～9°時(shí)略有降低，此時(shí)聚光器的光線接收率和聚光效率的平均值分別為93.00%，79.10%；當(dāng)徑向入射偏角＞14°時(shí)，聚光器的光線接收率和聚光效率均急劇降低，當(dāng)徑向入射偏角為20°時(shí)，聚光器的光線接收率和聚光效率分別為46.50%，39.49%。綜上可知，該聚光器在運(yùn)行時(shí)可以固定安裝或季節(jié)性調(diào)整運(yùn)行。

2.2 軸向入射偏角對(duì)復(fù)合多曲面聚光器光學(xué)性能的影響

除徑向入射偏角外，軸向入射偏角同樣會(huì)對(duì)沿東西方向固定安裝的聚光器光學(xué)性能產(chǎn)生影響，復(fù)合多曲面聚光器的光學(xué)性能參數(shù)隨軸向入射偏角的變化情況如圖5所示。由圖可知，當(dāng)軸向入射偏角為-20～20°時(shí)，聚光器的光線接收率和聚光效率的變化趨勢(shì)一致，且呈對(duì)稱趨勢(shì)。當(dāng)軸向入射偏角為-6～6°時(shí)，聚光器的光線接收率和聚光效率受軸向入射偏角的影響很小，此時(shí)，二者的平均值分別為95.97%，81.26%。隨著軸向入射偏角的增大，二者開始降低，當(dāng)軸向入射偏角增大到20°時(shí)，聚光器的光線接收率和聚光效率分別為87.94%，74.50%。鑒于太陽方位角每小時(shí)的變化幅度小于15°，且正午前后太陽輻照度值最高，因此，當(dāng)復(fù)合多曲面聚光器固定安裝時(shí)，保證12：00軸向入射偏角為0°，便可達(dá)到較好的聚光集熱效果。

圖5 復(fù)合多曲面聚光器的光學(xué)性能參數(shù)隨軸向入射偏角的變化情況Fig.5 Variation of optical performance of compound multisurface concentrator with axial deflective incidence angle

3 復(fù)合多曲面聚光器聚光集熱性能研究

本文基于上述復(fù)合多曲面聚光器光學(xué)性能的仿真計(jì)算結(jié)果，搭建了復(fù)合多曲面聚光器光熱性能測(cè)試臺(tái)，在晴天條件下，測(cè)試分析了運(yùn)行參數(shù)對(duì)聚光器聚光集熱性能的影響，為后續(xù)復(fù)合多曲面聚光集熱系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

3.1 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)及方法

復(fù)合多曲面聚光器光熱性能測(cè)試臺(tái)包括復(fù)合多曲面聚光器、換熱空氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)測(cè)試采集系統(tǒng)。其中，復(fù)合多曲面聚光器是根據(jù)其三維模型尺寸自制而成，并將其入光口朝向正南固定放置，安裝傾角可以手動(dòng)調(diào)整，復(fù)合多曲面聚光器測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 復(fù)合多曲面聚光器測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Schematic drawing of testing bench of compound multi-surface concentrator

試驗(yàn)過程中，空氣流速由引風(fēng)機(jī)控制，并由testo 405i熱線風(fēng)速儀實(shí)時(shí)校核，聚光器進(jìn)、出口處空氣溫度和環(huán)境溫度由K型熱電偶（測(cè)試精度為±0.5℃）測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)由Sin-R6000C無紙記錄儀實(shí)時(shí)記錄，同時(shí)選用TRM-FD1太陽能發(fā)電監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)對(duì)太陽輻照度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。試驗(yàn)測(cè)試地點(diǎn)為內(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（N40°50′，E111°42′），測(cè)試期間，空氣平均流速穩(wěn)定在2.13 m/s左右，并在試驗(yàn)測(cè)試前完成了對(duì)測(cè)試儀器和測(cè)試元件的校核。

測(cè)試時(shí)，選用光熱轉(zhuǎn)化效率ηt作為復(fù)合多曲面聚光器聚光集熱性能的評(píng)價(jià)參數(shù)。

ηt的計(jì)算式為[14]

式中：Q為聚光器瞬時(shí)集熱量，W；G為進(jìn)入聚光器入光口的太陽輻照度，W/m2；A為聚光器入光口面積，m2。

Q的計(jì)算式為

式中：m為聚光器中玻璃管內(nèi)換熱介質(zhì)的流量，kg/s；cp為對(duì)應(yīng)運(yùn)行溫度下的空氣比熱容，J/（kg·K）；tout，tin分別為接收體進(jìn)、出口處的空氣溫度，K。

3.2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

固定安裝的復(fù)合多曲面聚光器在徑向入射偏角為0°的運(yùn)行時(shí)間較少。因此，本文選取的測(cè)試日期為2021年3月20日-22日，復(fù)合多曲面聚光器聚光集熱性能測(cè)試時(shí)間選在太陽高度角變化較小的10：00-14：00。

測(cè)試當(dāng)天，太陽輻照度與環(huán)境溫度隨測(cè)試時(shí)間的變化情況如圖7所示。

圖7 太陽輻照度與環(huán)境溫度變化曲線隨測(cè)試時(shí)間的變化情況Fig.7 Variation curve of solar irradiance and ambient temperature with time

測(cè)試期間，接收體進(jìn)、出口處空氣溫度隨時(shí)間的變化情況如圖8所示。

圖8 接收體進(jìn)、出口處空氣溫度隨時(shí)間的變化情況Fig.8 Variation of air temperature of receiver inlet and outlet with time

由圖8可知，接收體出口處空氣溫度的變化趨勢(shì)與太陽輻照度的變化趨勢(shì)一致，在正午時(shí)，接收體出口處空氣溫度與溫升達(dá)到最大值，分別為46.9，18.4℃，測(cè)試期間，聚光器出口處空氣平均溫度與溫升分別為43.1，15.7℃。正午時(shí)，接收體出口處溫度高的原因?yàn)樘柟庹肷渚酃馄鳎M(jìn)入聚光器匯聚到接收體上的光線數(shù)量最多，且此時(shí)太陽輻照度為一天中最大值，并且此時(shí)環(huán)境溫度較高，接收體內(nèi)空氣散熱損失較小。正午以后，隨著測(cè)試時(shí)間的推移，太陽輻照度逐漸降低，光線入射偏角逐漸增大，導(dǎo)致出口處空氣溫度逐漸降低，這與光學(xué)仿真結(jié)果一致。

瞬時(shí)集熱量可以直觀地反映復(fù)合多曲面聚光器的聚光集熱性能。測(cè)試期間，聚光器瞬時(shí)集熱量隨測(cè)試時(shí)間的變化情況如圖9所示。

圖9 聚光器瞬時(shí)集熱量隨時(shí)間的變化情況Fig.9 Variation of instantaneous heating collection of concentrator with time

由圖9可知，聚光器瞬時(shí)集熱量隨測(cè)試時(shí)間的變化呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，且在12：00左右達(dá)到最大值，為411.54 W。由式（4）可知，影響聚光器瞬時(shí)集熱量的主要因素為接收體進(jìn)、出口處空氣溫度的差值。由上文可知，接收體出口處空氣溫度隨測(cè)試時(shí)間的變化趨勢(shì)與太陽輻照度的變化趨勢(shì)一致，呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，而聚光器進(jìn)口處空氣溫度的變化幅度較小。此外，由式（3），（4）計(jì)算得出，測(cè)試期間，復(fù)合多曲面聚光器的平均瞬時(shí)集熱量和最大光熱轉(zhuǎn)化效率分別為352.07 W，42.38%。

4 結(jié)論

本文通過仿真模擬與試驗(yàn)測(cè)試探究了光線入射偏角對(duì)應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤供熱的復(fù)合多曲面聚光器聚光集熱性能的影響規(guī)律。首先，利用光學(xué)仿真軟件TracePro對(duì)聚光器進(jìn)行光線追跡與光學(xué)性能計(jì)算；隨后，在晴天條件下，通過測(cè)試復(fù)合多曲面聚光器的空氣流速，進(jìn)、出口處空氣溫度等參數(shù)，計(jì)算分析了聚光器在實(shí)際運(yùn)行工況下的聚光集熱性能，得到以下結(jié)論。

①當(dāng)徑向入射偏角小于14°時(shí)，光線入射偏角對(duì)聚光器光學(xué)性能的影響較小，當(dāng)光線正入射時(shí)，復(fù)合多曲面聚光器的光線接收率和聚光效率分別為96.00%，81.67%。

②當(dāng)軸向入射偏角為-6～6°時(shí)，復(fù)合多曲面聚光器的平均光線接收率和聚光效率分別為95.97%，81.26%，當(dāng)軸向入射偏角為20°時(shí)，復(fù)合多曲面聚光器的平均光線接收率和聚光效率分別為87.94%，74.50%。

③當(dāng)復(fù)合多曲面聚光器在晴天條件下運(yùn)行時(shí)，接收體出口處空氣溫度變化趨勢(shì)與太陽輻照度變化趨勢(shì)一致，且在正午時(shí)刻達(dá)到最大值，為46.9℃。測(cè)試期間，聚光器的最大瞬時(shí)集熱量和光熱轉(zhuǎn)化效率分別為411.54 W，42.38%。