反射聚焦式太陽能集熱裝置原理探索

曾令倫

(樂山市市中區 四川 樂山 614000)

太陽能是一種取之不盡、用之不竭的綠色能源．加強對太陽能的研發利用，是人類緩解能源危機、實現可持續發展的長遠戰略．但太陽能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源[1]，必須想辦法把它集中起來，才能有效使用．所以，太陽能集熱器是各種太陽能利用系統的上游部件，其效能高低，直接關系到整個系統的功效．研制高效集熱、緊湊結實、經濟實用的集熱裝置，是當前太陽能熱利用技術的發展方向．本文從原理上設計了一種反射聚焦式太陽能集熱裝置，能最大限度地吸收一定空間范圍內的太陽光線，具有占地面積小、吸熱功率高、聚能密度大、可升溫度高、可機動設置等特點．

1 現有研究成果

目前，太陽能集熱器已發展出多種類型，屬于中高溫集熱領域的有槽式、塔式和碟式集熱器[2,3]，它們代表了當今世界太陽能集熱技術發展的主流方向．這三種集熱器，不僅需要精準復雜的對日跟蹤系統，而且需要龐大的定日鏡、反射鏡等，占地面積過大．如2012年10月，由中國華能集團自主研發的太陽能光熱發電項目在海南三亞投產，利用太陽能產生400～450℃的過熱蒸氣，其集熱系統占地10 000 m2[4]；2012年8月，由中科院電工所牽頭研發的延慶塔式太陽能熱發電站調試成功，可產生400℃高溫蒸氣，推動1.5兆瓦汽輪發電機運行，但系統包括一個119 m高的集熱塔、在塔的南側地面上呈扇型分布著100面巨大的玻璃鏡(定日鏡)，每面鏡子100 m2 [5]．如此龐大的設備，建設成本高、占地面積廣，難以大規模推廣應用，尤其是在太空無法應用．

2 研制反射聚焦式太陽能集熱裝置

利用凹面反射鏡和菲涅耳透鏡技術[6]，將正射和反射的陽光大部投射到一個大球狀透射鏡上，穿過透鏡再折射聚焦到位于球心中央的小球形吸熱器中，將其中工質(水、氣體導熱油、熔融鹽或金屬液)進行聚焦加熱，變為高溫流體，輸入儲熱器．本裝置包括吸熱裝置、輸工質管道、跟蹤太陽系統、工質儲熱器．

2.1 設計吸熱裝置

如圖1所示，反射聚焦裝置包括1個半合攏大球形反射鏡、1個大球狀透射鏡、1個小球形透明吸熱器．反射鏡為1個大型空心球，下端被1根中空圓錐體穿過，支撐固定在一張轉盤上，左上端斜開一個圓形切口，作為陽光入射口．透射鏡為1個大型球形框架，下端設有圓孔，被中空圓錐體由下至上穿至中央，并被支撐固定；框架上鑲嵌若干面菲涅耳透鏡[7]，各面透鏡呈梯形凹面、最上方呈圓形凹面，聚光焦距較長，焦點均落在球心吸熱器中，確保四面八方光線都能聚集到吸熱器中．吸熱器為1個小型透明球形玻璃容器，設在框架球心，其殼體為耐高溫玻

璃①[注]① 耐高溫玻璃已發展出多種型號，如耐受350℃，450℃，600℃，750℃，1000℃，1200℃，1500℃，1700℃，2150℃等高溫玻璃；耐高溫粘合劑也發展出多種型號，如耐受350℃，450℃，750℃，1250℃，1280℃，1730℃等高溫膠水．，內層厚、外層薄，中間夾層為真空，夾層間用一些小玻璃塊連接襯墊，外殼纏繞幾條玻璃纖維帶；吸熱器外接2條輸工質管道、1條排垢管道；吸熱器被中空圓錐體上端截口支撐固定，兩條輸工質管道、排垢管道均安裝在錐體中．

圖1 吸熱裝置示意圖

如圖2所示，啟用吸熱器時，回收壓縮機活塞，暢通噴口，調節螺栓，保持適當壓力；給球形吸熱器加注部分冷工質，吸收太陽能后變為高溫流體，滲透過濾層，沿輸熱管、噴口、壓縮管道輸入儲熱器；當儲熱器中高溫流體與輸熱管中氣壓平衡時，啟動壓縮機，將輸熱管中高溫流體強行壓入儲熱器中，將熱能儲存起來．

圖2 單向高壓閥示意圖

2.2 設計儲熱器及輸送管

圖3 儲熱器示意圖

如圖3所示，儲熱器為一個大型中空圓柱體，內層用耐高溫陶瓷制作、中間層用耐高溫隔熱材料和耐高溫合金包裹、外層用耐高溫保溫材料覆蓋．儲熱器預置多個接口，可同時吸收其他各套吸熱器，或鍋爐等排出的高溫流體．輸熱工質管可采用復合保溫管，輸冷工質管可采用不銹鋼．

2.3 設計反射鏡及跟蹤太陽系統

如圖4所示，安裝1個半合攏大球形反射鏡，其下端設有凹形曲面與圓錐體相接，底端固定在一張圓環形轉盤上，被角架支撐，將大球狀透射鏡包圍在內下方．轉盤可圍繞轉軸旋轉360°．在反射鏡開口部低端的正中下方，將一條半封閉矩形永磁體掛接在轉盤底板下，口部朝下，沿轉盤半徑輻射線分布．轉盤下端由一個中空圓柱形轉軸支撐，轉軸底端架設在一張圓環型底盤上，底盤又架設在一個中空圓柱形大轉軸上，并設有插銷可固定．將1個空心螺紋圓筒豎直內穿轉盤環心、底盤環心、兩轉軸環心，通過旋緊圓筒兩端螺帽，將轉盤、底盤、轉軸固定在鉛直線上.底盤稍大于轉盤，其向陽一方邊緣處設置一個小半球感光器．底盤上沿半徑輻射線分布15條半封閉矩形螺線管，內置軟磁材料，外繞銅心線圈，口部朝上，可與轉盤下永磁體口部正對．在向陽一方的半圓周內，均勻分布11條螺線管，間隔18ɑ；在背陰一方的半圓周內，均勻分布4條螺線管，間隔36ɑ．其中，第1～10號螺線管和第15號螺線管，只設有一個初級線圈；第11～14號螺線管，不僅設有初級線圈，還套裝1個次級線圈．

圖4 電磁驅動轉盤旋轉示意圖

如圖5所示，感光器是一個小半球環狀密閉盒．將球面向陽設置在底盤邊緣上，或陽光不受遮擋的其他地方，以左端半徑為起點，間隔18ɑ設置1張遮光板，將密閉盒分隔成11個獨立小室．從球心開始，由里向外設置三層半球面，半徑逐步增大．在最里層小球面上，第1個小室平行設置2個光敏電阻，第2～11個小室設置1個光敏電阻．在中間層球面上，11個小室各設置1面菲涅耳透鏡，其焦點落在本室光敏電阻上．在最外層球面上，其向陽外殼上各設置一個圓形透光玻璃板．合理設置透光板面積及其與透鏡距離，確保在陽光偏移幅度內(18ɑ)，只有一個小室透鏡能有效受到斜射、正射陽光照射，并將陽光聚焦到本室光敏電阻上，其它小室的斜射陽光只能照在遮光板上，照不到透鏡上．隨著陽光偏移，11個小室從左至右順時針接受陽光照射，但始終只有一個小室透鏡能被有效照射，因而只有一個光敏電阻被激活；其中左側第1小室2個并列光敏電阻被同時照射．

圖5 小半球形感光器示意圖

此外，設計一套跟蹤太陽系統，分為反射鏡白天跟蹤太陽偏移自動旋轉電路和夜間自動控制旋轉電路．其中，白天跟蹤太陽電路由11個同相輸入比例放大器集成元件分別與感光器中11個光敏電阻、11條螺線管連接，形成11套將陽光偏移信號轉變為電流信號，放大后觸通螺線管、吸引永磁體、牽引轉盤反射鏡旋轉的電路，最后1套電路將電流中斷信號傳遞給夜間控制電路；夜間控制電路由3個熱繼電器、1個光敏電阻分別與4個同相輸入比例放大器集成元件、4條螺線管連接，形成4套利用前一級集成電路中斷信號啟動本級集成電路、觸通螺線管吸引永磁體、牽引轉盤反射鏡旋轉的電路，最后1套電路將轉盤固定、次日早上受陽光照射時失去吸引力，將轉盤移交白天跟蹤太陽電路．

3 計算幾何聚光比

幾何聚光比是采光面積與吸熱器面積之比[8]．即

(1)

式中C為聚光比，A為采光面積，a為吸熱器面積．

如圖6所示，大球狀透射鏡四面八方都能吸收陽光，所以采光面積是指該球面上各透射鏡面積之和，它可由球體表面積減去框架占用面積、下方圓錐體穿其孔洞面積而得．吸熱器面積是指球形吸熱器的實際吸熱面積，可由吸熱器球表面減去它與圓錐體接觸面積而得．

圖6 球形吸熱器注記圖

3.1 計算吸熱器面積a

如圖6所示，當r1?r0時，吸熱器表面與圓錐體接觸的凹面積約等于以r1為半徑的圓面積．所以

a=S吸熱器表-S接觸面≈ 4πr02-πr12

(2)

3.2 計算采光面積A

如圖6所示，當r2?r3時，圓錐體穿過大球狀透射鏡的孔洞面積約等于以r2為半徑的圓面積．所以

A=S透射鏡表-S孔洞-∑S框架≈

4πr32-πr22-∑S框架

(3)

圖7 大球狀透射鏡表面框架圖

如圖7所示，參照地球經緯線劃分法，將大球狀透射鏡框架分為經線框、緯線框．假設有14條經線框，每條經線寬d，長2πr3，每條經線框面積為2πr3d．則

∑S經線=14×2πr3d= 28πr3d

(4)

設每條緯線寬d，赤道線框周長2πr3，其面積為

S赤道框=2πr3d

(5)

以赤道線框為中心，向北、南各設置3條緯線，分別為低緯線、中緯線、高緯線．南北對稱緯線的周長彼此相等．

如圖8所示，設北低緯線、北中緯線、北高緯線的半徑分別為r4，r5，r6，其所在緯度分別為30°，60°，80°，則

r4=r3×cos30°=0.866r3

r5=r3×cos60°=0.5r3

r6=r3× cos80°=0.17r3

1條低緯線框周長2πr4=2π×0.866r3=

1.732πr3；

1條中緯線框周長2πr5=2π×0.5r3=πr3；

1條高緯線框周長2πr6=2π×0.17r3=

0.34πr3.

圖8 大球狀透射鏡注記圖

所以，南北2條低緯線框面積為3.464πr3d，2條中緯線框面積為2πr3d，2條高緯線框面積為0.68πr3d

各緯線框面積和為

∑S緯線=8.144πr3d

(6)

∑S框架=∑S經線+∑S緯線=36.144πr3d

(7)

將公式(7)代入(3)，得

A≈ 4πr32-πr22-36.144πr3d

(8)

將公式(2)、(8)代入公式(1)，得

(9)

假設r0=1 m，r1=0.1 m，r2=1 m，r3=10 m，d=0.03 m．代入上式得

C≈97.3

4 計算吸熱功率和可升溫度極限

4.1 根據太陽向宇宙輻射能量公式計算

因為太陽每秒向宇宙空間輻射能量為[9]

Qs=4πr2σTs4

(10)

式中，Qs為太陽單位時間輻射能，r為太陽半徑，σ為斯蒂芬-波爾茲曼常量①[注]①斯蒂芬-波爾茲曼常量為5.67×10-8W/(m2·K4)．，Ts為太陽表面的絕對溫度②[注]②太陽表面的絕對溫度約為6 000 K．．

如圖9所示，將地球圍繞太陽旋轉的軌跡近似看作圓，太陽每秒投射在地球表面某點上的能量為[9]

(11)

式中，R為地球繞太陽運動的圓半徑，A為某點采光面積．

圖9 太陽輻射地球表面某點示意圖

設吸熱器的太陽能吸收率為η1，透鏡和玻璃板的透過系數為η2．由于太陽光輻射到地球時，會受到地球大氣層的吸收和散射影響，使得透過大氣層的太陽能受到衰減[10]．設大氣透過率為η3③[注]③地球大氣層是一個復雜系統，大氣透過率是由大氣分子和懸浮氣溶膠顆粒的吸收和散射造成的，通常夏季高、冬季低，晴天高，雨霧天低．設想裝置在較為晴朗的天氣下工作，可設大氣透過率為0.85．．則吸熱器每秒吸收的太陽能為

(12)

式中θ為地球表面某點距太陽兩極的張角，約為32′[9]．

吸熱器吸收能量后，也象太陽一樣存在著輻射熱損．設其熱發射率為ε，其輻射熱損為[9]

Qa=εaσTa4

(13)

式中，a為吸熱器面積，Ta為吸熱器表面的絕對溫度．假設從吸熱器引出的有用收益、吸熱器的對流傳導熱損與吸熱器吸收太陽能Qs→a之比值為η4，則有[9]

(1-η4)Qs→a=Qa

(14)

將式(12)、(13)代入(14)，得

(15)

(16)

可見，吸熱器的吸收率η1越高，透鏡和玻璃板的透過系數η2越高，陽光穿越大氣層的大氣透過率η3越高，吸熱器的有用收益加對流傳導熱損之和與吸熱器吸收太陽能之比η4越小，吸熱器的熱發射率ε越小，聚光比C越大，吸熱器可升溫度極限就越高．反之，吸熱器可升溫度極限就越低．

對于本吸熱裝置，假設η1=0.9，η2=0.9，η3=0.85，η4=0.5，ε=0.5，r0=1 m，r1=0.1 m，r2=1 m，r3=10 m，d=0.03 m．則吸熱器可升溫度極限為Ta=1 171 K.

由式(8)和(12)，可得本裝置吸熱功率為

Qs→a=η1η2η3(4πr32-πr22- 36.144πr3d)·

(17)

將上述預設參數代入，得

Qs→a=1.336×106J/s

(18)

4.2 根據太陽輻射地球常數計算

因為太陽1 s內垂直照射在地球表面1 m2上的能量為1353 J[11]，所以

Qs→a=η1η2AQ太陽輻射常量=1353η1η2AJ/s

(19)

將式(8)、η1=0.9和η2=0.9代入式(19)，得

Qs→a=1.336×106J/s

(20)

將式(18)與(20)進行比較，兩種方法算出結果一樣．

4.3 計算聚能密度

根據式(17)或(19)，可得裝置單位時間內吸收的太陽能，用它除以小球形太陽能吸熱器的容積，可得吸熱器單位時間內的聚能密度ρs→a.

(26)

或者

(27)

將上述預設參數代入式(26)，得

ρs→a=3.19×105J/(s·m3)

(28)

將上述預設參數代入式(27)，得

ρs→a=3.19×105J/(s·m3)

(29)

將式(28)與(29)進行比較，兩種方法算出結果一樣.

5 初步結論

本裝置作為一個整體結構，可以機動設置，與槽式、塔式、碟式集熱器相比，裝置體積、占地面積和熱損耗較小，聚能密度、吸熱功率和工質升溫極限較高，建設成本較低．如果適當降低小球形吸熱器半徑，增大大球狀透射鏡半徑，將顯著地提高裝置的聚光比、吸熱功率和工質升溫極限．儲熱器儲存的高溫流體，既可用于白天，也可用于夜晚．如果采用過濾凈化后的普通水(甚至海水、被污染的水)作工質，輸入吸熱器，吸收太陽能后變為高溫高壓水蒸氣，做功降溫后變為純凈液態水，附帶自動凈水功能．本裝置具有儲熱功能，不僅可用于日照充足的地區，還可用于日照較差的地區；不僅可用于地面，還可用于太空和外星球，且在宇宙空間隨著陽光輻射增強、其吸熱功率和工質溫度也將更高．

參考文獻

1 朱方園，韓滿林,豐濟濟.太陽能發電用太陽跟蹤器的設計.控制工程，2009.11(第16卷增刊)

2 太陽能熱發電系統基本類型,中國能源網.http://www.china5e.com/show.php?contentid=45210

3 太陽能熱發電，百科名片.http://baike.baidu.com/view/1616344.htm

4 首條線聚焦直接蒸汽式光熱發電投產，北極星太陽能光伏網，中國能源報，2012.11.7

5 李大慶.我國首座太陽能熱發電站穩定運行，中國科技網訊，科技日報，2012.12.14

6 菲涅爾透鏡，百科名片.http://baike.baidu.com/view/229022.htm

7 菲涅爾透鏡在太陽能聚光光伏系統(CPV)中的應用.http://blog.china.alibaba.com/article/i12191995.html. 2010.04.13

8 聚光比，百科名片.http://baike.baidu.com/view/9056662.htm

9 新石.聚光裝置的極限聚光比和極限溫度.太陽能,1981(04)

10 郝允祥.張保洲.鄭曉東.梅漫.天頂亮度與大氣透過率關系的觀測，太陽能學報，1991,12(2):4

11 太陽輻射-太陽常數.百科名片.http://baike.baidu.com/view/287541.htm