一種可用于海水淡化的太陽能聚光器的設計

毛書哲 曾維友 陳偉 周小紅

摘要：太陽能作為一種可再生的清潔能源，越來越受到世界各國能源環境領域的重視。太陽能光熱聚光裝置是太陽能發電、太陽能工業供熱和民用供熱的關鍵。可用于海水淡化，緩解水資源和能源壓力，作為一種太陽能利用技術在未來具有廣闊的發展前景。

1 理論基礎

太陽能海水淡化過程主要由太陽能聚光器，吸熱器，冷凝裝置組成，聚光器的作用是將太陽能進行會聚，吸熱器的作用是光能轉換為熱能，冷凝裝置的作用是實現海水的淡化過程。在實際應用中，為了更好地利用太陽能，還要加入太陽跟蹤裝置及儲熱裝置，實驗裝置結構如圖1所示。

2.太陽能聚光器的設計

2.1：現有聚光器的不足

在現有太陽能聚光器設計中，存在的不足有：

（1）因為在碟式聚光器在追蹤太陽的過程中，是將發電機安放在焦點處的接受體上，在追蹤太陽時，發電機也會跟著一起轉動跟蹤，這樣就致使跟蹤系統的負載加重，不利于跟蹤系統運行的穩定性和維護。

（2）在焦點出放置接受體，減少了受光面積，并且沒有儲熱裝置。

2.2聚光器的設計依據

（1）傳統的聚光器將光線聚集在焦點處，本設計利用兩次反射將太陽光線導向地面，這樣集熱器就可以安裝在地面，而且可以對熱能進行儲存。很好的解決了傳統碟式系統中因為沒有蓄熱系統而造成的運行不穩定問題，也可降低光跟蹤系統的載重量而降低系統的建造和維護成本。

（2）本項目采用透鏡聚焦，用二次反射鏡將太陽光線初步會聚和反射回地面，通過透鏡聚焦后，聚光比將比傳統的菲涅爾系統有很大的提升。同時，二次反射鏡的安裝精度也可降低，有便于安裝和調試。

2.3聚光器的軟件設計

本設計采用ZEMAX軟件進行仿真設計及優化。設計參數如下：

本設計選擇一次反射鏡開口直徑3000mm，聚光比1300，聚焦點溫度800度，作為設計目標，預設的聚光器的結構參數為：

一次反射鏡：開口直徑3000mm，拋物面，曲率半徑3621.4mm；

二次反射鏡：開口直徑680mm，拋物面，曲率半徑724.264mm；

菲涅爾透鏡：直徑700mm，厚度4mm，螺距0.25，曲率半徑491.59mm；

以拋物面頂點計算，二次反射鏡在一次反射鏡前方1448.7mm處，菲涅爾透鏡在二次反射鏡后方1200mm處，系統總長2000mm。

太陽能光熱利用中的關鍵是聚光裝置，實驗作品設計了一種二次反射一次折射的聚光器，光線經一次反射鏡反射后會聚于二次反射鏡表面，經二次反射鏡反射后，再經過透鏡將光能聚焦在吸熱器上，設計如圖2所示。

2.4 實驗結果及分析

實驗分析結果如圖3所示。

（1）系統的聚光比

從圖3中可以看出，在焦平面上，90%的太陽光能集中在半徑為30mm的圓內，由此可計算出理論的聚光比：

（2）系統的聚光效率

由此可得出聚焦最高溫度可達2100℃。考慮反射鏡的反射率和菲涅爾透鏡的透過率，可計算出太陽光的聚光效率為（設一、二次反射鏡的反射率為94%，菲涅爾的透射率為91%）：

參考文獻：

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