建筑整合式太陽能微型聚光器集熱性能測試與分析

吳 俊，龐 波，方 鑫，趙 暢，張一帆，安 巍

(同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

中國是一個能耗大國，每年能耗約占全世界的1/3，其中建筑能耗占比約為45%[1].在我國致力于達到“雙碳”目標(biāo)的背景下，將清潔能源應(yīng)用于建筑成為了降低建筑能耗的重要途徑之一[2-3].太陽能作為傳統(tǒng)的可再生清潔能源，具有可再生、普及廣、綠色清潔的優(yōu)點，將其與建筑整合可有效降低能耗.但目前的城市建筑多為高層建筑，僅靠建筑屋頂?shù)拿娣e已經(jīng)無法滿足大部分住戶安裝太陽能熱水系統(tǒng)的需求[4-5]，導(dǎo)致目前傳統(tǒng)的太陽能熱水系統(tǒng)存在安裝位置受限，集熱效率低下等缺陷，難以應(yīng)用在高層建筑中.若要將太陽能系統(tǒng)與高層建筑有效整合，則需要通過技術(shù)變革來提升集熱器的性能.聚光技術(shù)在保持集熱面積不變的同時，通過縮小集熱器的散熱面積，降低系統(tǒng)的熱損失，從而有效提高太陽能系統(tǒng)的性能.

然而，目前廣泛使用的聚光系統(tǒng)焦距較大，追蹤陽光時反射鏡具有較大的旋轉(zhuǎn)幅度，無法應(yīng)用于高層建筑中.因此，將聚光系統(tǒng)輕量化、微型化，使其與高層建筑有效整合對降低建筑能耗有著重要意義.Li等[6]指出，與傳統(tǒng)集熱器相比，與建筑整合的太陽能聚光器可以安裝于建筑的各個部位，并能夠為住戶提供更高的工質(zhì)溫度，為建筑用能提供了更多的可能性.Yang等[7]設(shè)計了一種微拋物線槽的聚光器，由于其內(nèi)部跟蹤系統(tǒng)緊湊，該聚光器質(zhì)量輕，厚度小，很容易與屋頂和外墻相結(jié)合.此外，Tanzeen等[8]提出了一種使用線性菲涅爾反射結(jié)構(gòu)的聚光器，該聚光器可以與建筑屋頂很好的結(jié)合.然而，遺憾的是，對于建筑整合微型聚光器的研究多為聚光器本身集熱性能的研究，已有研究并沒有測試建筑整合微型聚光器在建筑外墻不同安裝條件下的性能.因此，本文基于線性菲涅爾微型聚光技術(shù)，設(shè)計了一種能夠有效與建筑整合的聚光器.通過分別對聚光器進行光學(xué)模擬及戶外集熱性能實驗研究，分析了其在不同的建筑整合安裝條件下的光學(xué)效率和集熱效率，并與平板集熱器進行了對比測試.

1 聚光器設(shè)計

線性菲涅爾聚光器示意圖，如圖1所示.所設(shè)計的聚光器主要由反射鏡場、集熱管和支撐框架組成.聚光器的整體尺寸為(1 529×430×160)mm，其中反射鏡場由11根寬度為30 mm，長度為1 500 mm的反光鏡組成，每個反射鏡(稱為鏡元)之間的間距為5 mm.為了保證聚光器在高層建筑安裝環(huán)境下有較低的風(fēng)阻，將聚光器的焦距設(shè)計為135 mm.

圖1 線性菲涅爾聚光器示意圖

由于設(shè)計的聚光器中太陽跟蹤系統(tǒng)為單軸跟蹤系統(tǒng)，因此在設(shè)計鏡元跟蹤傾角時考慮2維平面即可.如圖2所示[9]，太陽入射光線在二維平面上的投影與水平面的夾角為γ，鏡元與水平面的夾角為βn，反射光線在二維平面的分量與鏡元的夾角為λn.設(shè)定鏡元逆時針旋轉(zhuǎn)時βn為正，反之為負.根據(jù)幾何關(guān)系，可知γ為[9]

(1)

公式中：αs為太陽高度角；γs為太陽方位角.定義鏡元逆時針旋轉(zhuǎn)時為正，反之為負，則γ在上午時為負，下午為正，由此可得γ為[5]

(2)

計算λn時，假設(shè)每個鏡元都能將陽光準(zhǔn)確聚集到集熱管上.由此，則所有的反射光線在二維平面上的分量與鏡元的夾角λn為定值，因此，只需確定集熱管與鏡場平面的垂直距離H以及每個鏡元離集熱管軸線的水平距離Qn，即可根據(jù)下式求出λn[9]：

(3)

公式中：H為焦距，mm；Qn為第n個鏡元中心與焦點之間的水平距離，mm.求出γ和λn后，根據(jù)圖2，即可得出每個鏡元的跟蹤傾角的計算公式.跟蹤傾角βn在不同時刻的計算公式為

當(dāng)?shù)貢r間為上午時，

(4)

當(dāng)?shù)貢r間為下午時，

(5)

圖2 線性菲涅爾聚光鏡場設(shè)計示意圖

在保證鏡場能夠精確反射陽光的前提下，讓聚光器準(zhǔn)確地追蹤不同時刻的太陽位置也是保證聚光器性能的重要因素.因此，需要一種輕量緊湊的傳動系統(tǒng)以保證每個傾角能轉(zhuǎn)動相同的角度.本聚光器的鏡元傳動系統(tǒng)采用單個步進電機驅(qū)動的連桿式同步傳動機構(gòu)，只需要單個步進電機旋轉(zhuǎn)驅(qū)動就可帶動所有鏡元轉(zhuǎn)動相同的角度.上述同步傳動系統(tǒng)具有成本低、質(zhì)量小、跟蹤精度高等特點，可以在小范圍內(nèi)準(zhǔn)確調(diào)整鏡元傾角將太陽光線匯聚至集熱管.

2 光學(xué)模擬及分析

在高層建筑中，根據(jù)不同的使用環(huán)境，聚光器會有不同的安裝方式.當(dāng)聚光器應(yīng)用于住戶陽臺時聚光器的安裝方式可以采用橫向安裝，應(yīng)用于建筑外墻或屋頂時可以采用垂直安裝，聚光器橫向和垂直安裝的使用場景如圖3所示.為了探究聚光器的放置方式對聚光器全天光學(xué)性能的影響，本文通過蒙特卡洛法對聚光器進行光學(xué)模擬.聚光器的光學(xué)模型由反射鏡，集熱管和支撐框架組成，相應(yīng)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和材料屬性如表1所示.光源位置由上海冬至日不同時刻的太陽高度角及方位角確定，以上海冬至日的太陽角確定光源位置的原因為：冬至日上海的太陽高度角達到最小值，聚光器所能獲得的陽光也最少，可以了解聚光器在最差工況下的光學(xué)性能[10].光源類型為直射平行光束，光線數(shù)量為400 000，總光通量為1 000 Watts.聚光器的橫向安裝與垂直安裝的光線蹤跡圖以及光學(xué)模擬結(jié)果如圖4所示.

圖3 不同使用場景下的聚光器安裝方式

表1 聚光器各個結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性

圖4 聚光器的光學(xué)模擬結(jié)果

聚光器的光學(xué)模擬結(jié)果如圖4所示，橫向安裝的聚光器的光學(xué)效率在正午12時時達到最高，為79.8%，而此時垂直安裝的聚光器的光學(xué)效率為73.6%.在其他時刻，垂直安裝的聚光器的光學(xué)效率高于橫向安裝的聚光器.此外，垂直安裝的聚光器的日均光學(xué)效率為50.9%，橫向安裝的聚光器日均光學(xué)效率為47.9%.造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于在正午時刻，太陽位于聚光器的正前方，橫向安裝的聚光器的內(nèi)部框架造成的遮擋少于垂直安裝的聚光器，因此，正午橫向安裝的聚光器的光學(xué)效率高于豎向安裝的聚光器；但在其他時刻，由于橫向安裝的聚光器跟蹤的是太陽高度角，垂直安裝的聚光器跟蹤的是太陽方位角，當(dāng)太陽不斷移動時，垂直安裝的聚光器能夠更加精確地跟蹤太陽的位置，可以獲得更多的陽光.而橫向安裝的聚光器只能跟蹤太陽方位角，除了正午時分能夠獲得較多的太陽光線以外，在其余的時間段無法準(zhǔn)確地跟蹤太陽的位置，因而無法獲得更多的陽光.通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，垂直安裝的聚光器的光學(xué)性能要優(yōu)于橫向安裝的聚光器.

3 聚光器集熱性能測試

圖5 聚光器戶外測試實驗

為了測試菲涅爾線性反射聚光器的性能，我們搭建了以聚光器作為集熱器的熱水系統(tǒng)并在戶外進行測試.實驗地點位于同濟大學(xué)嘉定校區(qū)(東經(jīng)121.2°，北緯31.3°)，測試實驗在晴天進行，實驗開始和結(jié)束時間分別為上午9時和下午4時，時長為7 h，分別進行橫豎聚光器的性能對比實驗和聚光器與商用平板熱水器的性能對比實驗.本文的實驗測試雖然在天臺進行，但是其測試過程有別于通常的太陽能集熱系統(tǒng)采用的大傾角平放測試方式，而是選擇接近于建筑物外墻安裝的方式，可以近似認為實驗測得的聚光器的集熱性能與聚光器安裝于建筑外墻的集熱性能接近.聚光器的集熱面積為0.495 m2，集熱管為真空管，長度為1 800 mm.實驗測試時聚光器南北放置，傾斜角度為15°，依據(jù)不同的實驗內(nèi)容更換不同的放置方式，如表2所示.

表2 測試儀器和傳感器型號

集熱系統(tǒng)實驗如圖5所示，在集熱管的入口和出口處設(shè)置K型熱電偶傳感器，并采用型號為Applent AT4532的測溫儀實時監(jiān)測和記錄集熱管入口和出口處水溫的變化.太陽輻射強度由JTBQ-2總輻射表測量.實驗過程中總輻射表與聚光器傾斜角度均為15°，以保證測得的輻射值為鏡場實際反射到集熱器中的太陽輻射值.實驗中采用的循環(huán)泵的流量為4 L/min.聚光器的集熱性能用聚光器的瞬時熱效率和日平均熱效率表征.系統(tǒng)的瞬時集熱效率可按下式計算[11]

(6)

公式中：η為聚光器的瞬時熱效率；Ac為集熱器的有效集熱面積(m2)；G為太陽輻照度(W/m2)；m為質(zhì)量流量(kg/s)；Cp為工質(zhì)比熱容(kJ/kg·℃)；ΔT為聚光器進出口溫差(℃).系統(tǒng)日平均集熱效率的計算方法為[11]

(7)

公式中：ηd為聚光器的日平均效率；ρw為水箱內(nèi)工質(zhì)的密度(kg/m3)；V為水箱內(nèi)工質(zhì)的體積(m3)；te為實驗結(jié)束時工質(zhì)的溫度(℃)；tb為實驗開始時工質(zhì)的溫度(℃)；H為集熱器集熱面上所獲得的太陽輻照量(MJ/m2).

4 結(jié)果與分析

4.1 聚光器不同安裝方式的性能對比

由光學(xué)模擬結(jié)果可知，垂直安裝的聚光器光學(xué)性能高于橫向安裝的聚光器.為了驗證光學(xué)模擬的結(jié)果，我們將聚光器以不同的安裝方式進行了對比實驗.由于實驗條件限制，無法在同一天進行不同安裝方式的性能對比實驗.為此，垂直安裝的實驗與橫向安裝的實驗分為兩天進行.為了最大程度縮小實驗條件對對比實驗的影響，我們確保了橫向安裝實驗當(dāng)天(2021年6月22日)的輻射日累計(11.014 MJ/m2)和室外溫度(24.7 ℃～31.3 ℃)與垂直安裝實驗當(dāng)天(2021年6月5日)的輻射日累計(11.004 MJ/m2)和室外溫度(24.2 ℃～30.8 ℃)近可能相似.太陽能輻照度、日均集熱效率和水溫變化如表3所示，不同安裝方式的聚光器瞬時集熱效率對比如圖6所示.

表3 聚光器橫向安裝與垂直安裝的集熱性能對比

由圖6可知，跟蹤太陽方位角的垂直安裝的聚光器和跟蹤太陽高度角的橫向安裝的聚光器在瞬時集熱效率上具有相似的趨勢.除個別時間點橫向安裝的聚光器的瞬時集熱效率高于垂直安裝的聚光器外，大部分時間內(nèi)垂直安裝的聚光器的集熱性能高于橫向安裝的聚光器.橫向安裝聚光器的日均集熱效率為37.1%，垂直安裝聚光器的日均集熱效率為41.1%.由此，可以認為垂直安裝聚光器的性能要高于橫向安裝聚光器.

圖6 不同安裝方式的聚光器熱效率隨時間的變化

4.2 聚光熱水系統(tǒng)與平板熱水器的對比

為了對比聚光器與平板式集熱器的性能，我們將一臺集熱面積為1.85 m2的平板式集熱器布置于聚光器旁，聚光熱水系統(tǒng)的水量為14.4 kg，平板熱水系統(tǒng)的水量為36.2 kg.性能對比實驗的日期為6月5日，即先前不同安裝方式對比實驗中垂直安裝實驗的實驗日期，實驗當(dāng)天的環(huán)境溫度為24.2 ℃～30.8 ℃，輻射日累計為11.004 MJ/m2.

圖7 平板集熱器和聚光器的工質(zhì)溫度對比圖8 平板集熱器和聚光器的熱效率對比

太陽能輻照度、集熱效率和水溫隨時間變化的曲線分別如圖7和圖8所示.實驗當(dāng)天上午的太陽輻照度約為400 W/m2，中午太陽輻照度在500 W/m2以上，最高可達605 W/m2.實驗開始時，由于平板集熱器在實驗開始前已經(jīng)接收了一段時間的太陽輻射，使實驗開始時進口水溫和出口水溫之間有一定的溫差，導(dǎo)致在實驗開始時平板集熱器的瞬時熱效率極高，最高可達77%.隨著實驗的進行，平板集熱器的集熱效率逐漸下降.下午3時之后，由于沒有陽光跟蹤裝置，平板集熱器的集熱面獲得的太陽輻射能少于微型聚光器.同時，由于平板集熱器的散熱面積較大，導(dǎo)致平板集熱器的工質(zhì)溫度在實驗最后一個小時由63 ℃下降至59 ℃.

對于聚光集熱系統(tǒng)，實驗開始時聚光器的瞬時集熱效率較高，可達到60%以上，隨著實驗的進行，集熱效率逐漸減小.從下午12時至下午2時，由于太陽輻照度的增加，聚光器的進出口水溫溫差也逐漸增大.實驗結(jié)束時，聚光集熱系統(tǒng)的工質(zhì)溫度為57 ℃，日均集熱效率為41.1%，而平板熱水器的日均集熱效率經(jīng)計算僅為30.3%.由以上分析可知，聚光器的集熱性能要高于平板集熱器.

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種可與高層建筑相結(jié)合的線性菲涅爾聚光器，通過對聚光器進行光學(xué)模擬分析和戶外熱性能對比測試，得到如下主要結(jié)論：

(1)聚光器的安裝方式對其光學(xué)效率和集熱效率有較大影響.根據(jù)光學(xué)模擬與相應(yīng)的實驗的結(jié)果，垂直安裝的聚光器的日均光學(xué)效率比橫向安裝的日均光學(xué)效率高3%，戶外測試的垂直安裝聚光器的日均集熱效率比橫向安裝聚光器的日均集熱效率高4%.由此可知垂直安裝的聚光器的光學(xué)和集熱性能均優(yōu)于橫向安裝的聚光器.

(2)本文設(shè)計的聚光器的日均集熱效率為41.1%，比平板集熱器的日均集熱效率高11%.

上述結(jié)果表明：在與建筑外墻整合的安裝條件下，本文提出的微型聚光器性能優(yōu)于現(xiàn)有的平板集熱器，在城市高層建筑的太陽能利用中具有較好的應(yīng)用潛力.