CPC在中高溫太陽(yáng)能集熱器中的應(yīng)用與設(shè)計(jì)

廖乃雄 陳煥懿

摘 要：在太陽(yáng)能中高溫?zé)崂弥衅胀ǖ奶?yáng)能集熱器難以達(dá)到100℃以上溫度，必須通過(guò)聚光來(lái)實(shí)現(xiàn)中高溫集熱器。復(fù)合拋物面（CPC）是一種非成像低聚焦度的聚光器。文章根據(jù)邊緣光線原理，給出復(fù)合拋物面聚光器的曲線方程，并結(jié)合實(shí)例介紹一種復(fù)合拋物面（CPC）的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：復(fù)合拋物面（CPC）；熱管式真空管；中高溫太陽(yáng)能集熱器

前言

隨著發(fā)展中國(guó)家工業(yè)大幅擴(kuò)張，消耗的蒸汽數(shù)量增長(zhǎng)迅速，由此造成的環(huán)境問(wèn)題如CO2、SO2等溫室氣體排放、氮氧化物等有害氣體的污染日益加重；另一方面，國(guó)際原油價(jià)格的飆升，使企業(yè)生產(chǎn)成本急劇增加。從環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展角度來(lái)說(shuō)，既環(huán)保又采之不盡的太陽(yáng)能中高溫?zé)崂贸蔀楸厝悔厔?shì)。中高溫蒸汽是指溫度范圍在100～300℃的蒸汽，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。在太陽(yáng)能中溫應(yīng)用領(lǐng)域中，由于非聚光集熱器很難達(dá)到較高的溫度，而拋物面聚光器又需要復(fù)雜的跟蹤系統(tǒng)，價(jià)格昂貴，因此復(fù)合拋物面聚光器（CPC）有著廣泛的應(yīng)用前景。

1 復(fù)合拋物面（CPC）的設(shè)計(jì)

1.1 復(fù)合拋物面（CPC）的特點(diǎn)

在太陽(yáng)能中高溫?zé)崂弥衅胀ǖ奶?yáng)能集熱器難以達(dá)到100℃以上溫度，必須通過(guò)聚光來(lái)實(shí)現(xiàn)中高溫集熱器。復(fù)合拋物面（CPC）是一種非成像低聚焦度的聚光器，具有以下特點(diǎn)：（1）由于它有較大的接收角，故在運(yùn)行時(shí)不需要連續(xù)跟蹤太陽(yáng)能，它的聚光比可達(dá)到在10以內(nèi)，當(dāng)聚光比在3以下時(shí)可做成固定式裝置；（2）可接收直射太陽(yáng)能輻射和部分散射輻射，并能接收一般跟蹤聚光器所不能接收的"太陽(yáng)能周圍輻射"；（3）復(fù)合拋物面（CPC）的聚光面型加工精度要求不嚴(yán)格，將其應(yīng)用在太陽(yáng)能集熱器中，可降低成本。

復(fù)合拋物面（CPC）型熱管式中高溫太陽(yáng)能集熱器采用外聚光方式，以熱管式真空管作為吸收體，在熱管式真空管外增加了復(fù)合拋物面聚光反射器（CPC），使集熱效率得到大幅度提高，溫度可達(dá)100～250℃。

1.2 復(fù)合拋物面（CPC）聚光器的設(shè)計(jì)

根據(jù)邊緣光線原理：對(duì)于聚光器，以最大入射半角θ入射的所有光線，都必須從出射孔徑的邊緣出射。也就是說(shuō)，入射光束中的最外側(cè)光線也應(yīng)是出射孔徑處的最外側(cè)光線。出射孔徑的直徑2d和最大入射半角θ完全確定了復(fù)合拋物面的形狀。

1.2.1 復(fù)合拋物面基本參數(shù)

（1）聚光比

聚光比是入射光束面積與出射光束面積的比值（即入射孔徑面積與吸收體表面積之比）。復(fù)合拋物面（CPC）聚光器的聚光比決定于它的采光半角θa。

C=■

（2）復(fù)合曲線中，拋物線上任一點(diǎn)至焦距F1的距離R為

R=■，2θa≤θR≤π

θR為變量，在2θa≤θR≤π之間確定。

復(fù)合曲線中，圓漸開(kāi)線上任一點(diǎn)至基圓切點(diǎn)的距離ρ為

ρ=rθ，θ≤■+θa

1.2.2 復(fù)合拋物面聚光器曲線參數(shù)方程可表示為

確定入射角（采光半角θa）和為吸熱體半徑r，可由下列方程得到復(fù)合拋物面聚光器曲線

圓漸開(kāi)線坐標(biāo)方程：

x=r（sinθ-θcosθ）

y=-r（cosθ+θsinθ）

拋物線任一點(diǎn)的坐標(biāo)方程：

x=r[■]

y=r[■]

1.2.3 截短復(fù)合拋物面聚光器

復(fù)合拋物面聚光器的聚光比決定于其采光半角θa，采光半角越小，則聚光比越大。實(shí)際中，采用增加鏡面高度H來(lái)增加聚光比的方法，在經(jīng)濟(jì)上是不可取的，采光半角θa與鏡面高度H之間的變化曲線十分陡峭，θa微小變化，H變化很大，即為了好的經(jīng)濟(jì)效益，稍微降低聚光比可大大降低鏡面總高度。通常鏡面總高度截短1/3～1/2，甚至更多。

2 實(shí)際應(yīng)用

下面是太陽(yáng)能中溫實(shí)例應(yīng)用的聚光器設(shè)計(jì)。采用Φ58mm，長(zhǎng)1800mm的真空玻璃管為吸熱體，吸熱的內(nèi)層玻璃管Φ47，半徑r=23.5。在制造或安裝過(guò)程中存在誤差或入射角稍大于θ角，那么將會(huì)有一部分光線不能會(huì)聚到吸收體上，導(dǎo)致集熱效率下降。因此，在計(jì)算公式中，可以將r的計(jì)算值比實(shí)際值略小一些取22計(jì)算。初步確定聚光比為5，采光半角θa為14.48。將以上各參數(shù)帶入曲線參數(shù)方程，并根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制出CPC截面形狀如圖1所示。由圖中可知，這時(shí)聚光比：C=444.4/2πr=444.4/2×3.14×23.5=3.01

圖1

為保證聚光器集光面能在太陽(yáng)通過(guò)天空運(yùn)動(dòng)時(shí)總是包含有太陽(yáng)，首先要讓聚光器有足夠大的接收角。太陽(yáng)每小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)15°，為保證聚光器一天中有6個(gè)小時(shí)能接收到陽(yáng)光，則有2θa/15°=6，即θa=45°。截短后圖形如圖2所示。

由圖中可知，這時(shí)聚光比：C=321.8/2πr=321.8/2×3.14×23.5=2.18

圖2

3 結(jié)束語(yǔ)

文章根據(jù)邊緣光線原理，給出復(fù)合拋物面聚光器的曲線方程，結(jié)合實(shí)例和經(jīng)濟(jì)效益、工藝方法介紹復(fù)合拋物面（CPC）聚光器的設(shè)計(jì)方法，可為太陽(yáng)能中高溫集熱器的聚光器的設(shè)計(jì)提供參考。