新型模塊化太陽能聚光集熱系統設計

劉躍財+王詩文

摘 要 本文提出了模塊化設計聚光集熱系統的思路，以等厚菲涅爾透鏡和腔式集熱器為研究對象，設計一套新型模塊化的太陽能聚光集熱系統。通過SolidWorks建立三維模型，利用TracePro、FLUENT進行了仿真分析。結果表明：理想情況下，等厚菲涅爾透鏡聚光比高，且光學效率為91.298%，腔式集熱器熱效率在85%以上，系統整體性能良好。

關鍵詞 聚光集熱；模塊化；等厚菲涅爾透鏡；腔式集熱器

中圖分類號 TK519 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0296-03

太陽能具有普遍廣泛、清潔無害等優點，且開發利用方式多樣，而將太陽能轉換成熱能加以利用是其中能量利用率較高和應用較為廣泛的方式[ 1 ]。在光—熱轉換過程中，聚光集熱系統作為核心部件，故對其的優化設計尤為重要。

眾多國內外學者對應用于不同場合的聚光集熱系統進行了大量設計。K. Lovegrove，G. Burgess等[ 2 ]設計并建立了一個500m2的碟式聚光集熱裝置，由380塊完全相同的1.17m×1.17m的球面鏡拼裝而成，聚光倍數為2 000倍以上。熊亞選、吳玉庭等[3]為10kW分布式太陽能熱—電聯供系統設計制造了大型的槽式太陽能聚光集熱器，其光熱轉換效率超過60%。Tao Tao，Zheng Hongfei等設計的槽式太陽能聚光集熱器采用多曲面聚焦，讓經過上曲面未聚焦的光線轉移到下曲面進行二次聚焦，使太陽能接收器受上下兩面的聚焦加熱，提高了接收器的效率。J. Llorente，J. Ballestr？′n等設計了一種新型太陽能菲涅爾反射聚光集熱裝置，該裝置由864塊15cm×12cm的鏡面在9個環上鑲嵌而成，當所有鏡面均聚焦到同一點時，良好天氣條件下吸熱處的溫度為1 500K。

本文提出一種模塊化設計的聚光集熱系統，以聚光器和集熱器為設計對象，既可以充分利用普通菲涅爾透鏡大聚光比的特點，又能得到低成本、高效率的聚光集熱系統。

1 聚光集熱模塊描述

本文設計的聚光集熱模塊主要有3部分組成：菲涅爾透鏡、腔式集熱器和工質輸送管。其結構如圖1所示。

經菲涅爾透鏡聚焦的光線進入腔式集熱器內部后，通過在涂有吸收涂層的腔體內壁上多次反射吸收，由工質輸送管內流動的冷工質將腔體內的熱量帶走，實現光—熱轉換。

2 聚光集熱系統設計

2.1 等厚菲涅爾聚光器設計

本文所采用的等厚菲涅爾透鏡中心為球面透鏡，記作第1環，從中心向外依次為2，3，4，……，n環。由幾何光學知識推導、整理后，可得平行光經中心球面透鏡折射后在菲涅爾透鏡焦平面上形成的焦斑半徑為

式中：f為菲涅爾透鏡的焦距，N為透鏡材料的折射率，1r為中心球面透鏡的半徑，h為中心球面透鏡高度。

如圖2所示為太陽光垂直入射到透鏡的平面一側時的光路圖。

目前高倍聚光菲涅爾透鏡設計時焦徑比一般設定為1.2。現將等厚菲涅爾透鏡的參數確定如下：大小為520mm×520mm，焦距為f=620mm，厚度為2.5mm（其中棱鏡高度為h=0.5mm），聚光倍數為1000倍以上，聚光效率不低于85%，光斑在直徑Φ25mm的范圍以內，折射率為N=1.411 1。根據式（2），利用MATLAB軟件編程計算，結果顯示該菲涅爾透鏡共有421環。

2.2 腔式集熱器設計

腔式集熱器由3部分組成：雙曲線、半圓和半橢圓。曲線方程如下：

雙曲線1：

將上述方程得到的曲線集合在一起并封口，可得到腔式集熱器的幾何結構，利用SolidWorks進行方程式驅動建模，得到集熱器模型，其中集熱器整體高為220mm，壁厚為2mm，如圖3所示。

2.3 聚光集熱模塊設計

如圖4所示，聚光集熱模塊主要由等厚菲涅爾透鏡、腔式集熱器、熱交換管和連接管等組成。

結果顯示，腔體內壁面對入射光輻射吸收的分布情況為：橢圓腔體部分占88%，圓和雙曲線腔體部分總共占6.9%，其他損失占5.1%，其中絕大部分損失是由于“頸部”光強較大導致的輻射熱損失。總的來說，集熱器的熱效率在85%以上且光學性能和熱性能良好。

圖6所示為工質在輸送管內的模擬流速分布圖。從模擬結果可以看出，傳熱工質在腔式集熱器橢球下部附近流速較快，可快速將腔式集熱器橢圓部分“蝸居”的熱量帶走，防止集熱器局部高溫造成熱損失。

4 結論

本文設計了一種新型的模塊化太陽能聚光集熱系統，其核心部件是等厚菲涅爾透鏡和腔式集熱器。經模擬仿真，在理想情況下，聚光器聚光比大于2 000且光學效率達到91.298%；腔式集熱器熱效率在85%以上且熱性能良好；同時，輸送管內傳熱工質熱傳遞效果良好，既可將集熱器橢球部分的聚集熱量快速帶走，又能充分保證其他部分與工質的熱傳遞接觸時長。

參考文獻

[1]陳德明，徐剛.太陽能熱利用技術概況[J].物理，2007，36（11）：840-846.

[2]K. Lovegrove， G. Burgess， J. Pye. A new 500 m2 paraboloidal dish solar concentrator[J]. Solar Energy， 2011， 85：620-626.

[3]熊亞選，吳玉庭，馬重芳，等.槽式太陽能聚光集熱器光熱性能初步試驗研究[J].太陽能學報，2012，33（12）：2087-2092.