聚光型太陽能空氣集熱器的發展及展望

林仲祺，謝嘉豪，龍碧瑩，楊晚生

(廣東工業大學 土木與交通工程學院，廣東 廣州 510006)

1 引言

聚光型太陽能集熱器(又稱CPC太陽能空氣集熱器)是利用邊緣光線原理設計成的一種聚光器，該類型的集熱器是由Winston[1]最早在1974年提出，利用了光的非成像聚光原理，與成像聚光器對比，其最大優勢在于省去了復雜的跟蹤裝置，在這個基礎上，許多學者開始對CPC太陽能空氣集熱器進行了研究工作。根據接收器的形狀可分為平板型、豎版型、圓管型及三角型[2](圖1)。

理想型CPC太陽能空氣集熱器的聚光器形狀如圖2所示， AD段為拋物線，和拋物線BC關于聚光器的中心軸線對稱。點B為拋物線AD的焦點，位于BC上。直線AO和BD分別是拋物線AD和拋物線BC的主軸，直線BD和AC分別與主軸平行，兩直線間的夾角就是CPC的最大接收角，即圖中的θmax。當直射光線的入射角處于[-θmax，θmax]之間時，該光線經過一次或多次反射后總能達到接收器表面；而當入射角不再這個范圍內時，直射光線經過反射后一定會射出聚光器。

2 CPC太陽能空氣集熱器的研究狀況

2.1 對于聚光器結構的研究

與傳統的其他聚光系統相比，理想型CPC集熱器由于按照邊緣光線原理設計，導致其尺寸較大，高寬比過大，鏡面面積很大，對于大規模應用的推廣不利，出于實際工程的考慮，有些學者對在理想聚光器的基礎上進行了更多實驗研究。

W R Mcimire[3]分析研究了CPC的截短比和縫隙問題，指出由于CPC上部分的鏡面幾乎和對稱軸平行，截去上半部分后可明顯降低其高度，但是聚光比卻下降的不明顯，在一定范圍內對聚光器的高度進行截取，當截取率小于50%時，聚光比的減少量小于10%，大大降低了CPC的耗材。

圖2 理想型聚光器的聚光原理

張曉偉等[4]針對CPC集熱器的不足，借鑒了平板集熱器的結構特點的基礎上，設計了一種蛇形復合拋物面集熱器，其集熱效果相對普通平板式集熱器效果更好，集熱效率可達到55%以上。

吳青[5]設計了一種基于圓的漸開線方程，結合理想CPC的設計原理，提出了一種ICC型太陽能集熱裝置，并對其進行了光學和熱血性能測試，在實驗條件下集熱效率可達到50%以上。

鄭宏飛[6]分別采用平移、截底、旋轉的3種方法對理想CPC進行改造，增大CPC的最大聚光角，并且給出了3種方法中最大聚光角隨幾何尺寸變化的計算方式。

Yong Sin Kim等[7]通過理論模擬和實驗對比研究了沿南北和東西方向放置的CPC真空管熱管式的光學效率和集熱效率，經過截取后實際聚光比分別為1．12 和1．82，得到S-N和E．W 的光學效率分別為64．7%和68．3%。實驗工況下南北放置的CPC的集熱效率為36．3%，而東西放置的CPC仍具有40%的集熱效率，表明2種方向放置的CPC均具有良好的集熱效率。

東南大學的李開創[8]在設計了V 型CPC聚光器，對該新V型CPC熱管式真空集熱管進行光學性能模擬和 熱性能實驗研究，結果為集熱管的最高瞬時效率為50．4%，最高火用效率為4．5%。

2.2 CPC集熱器的理論和仿真研究

由于室外參數不易控制，在室外進行實驗時很難保持相應的環境參數不變，為了更好地分析CPC集熱器的集熱過程，許多學者基于采用理論分析和仿真模型的手段對CPC集熱器進行了進一步的研究。

N．Naeen[9]對典型迎風夾角下的CPC集熱器進行分析，考慮了吸熱管對流場的影響，采用RNG湍流模型對多個迎風夾角與不同風速下進行了二維數值模擬，之后討論了大型槽式集熱器反射器結構的抗風性能以及吸熱管表面的對流換熱損失。

王志峰[10]采用聚焦影像概念對CPC的光學性能進行分析，得到集熱管表面熱流分布，建立了整個集熱管的三維傳熱流動模型，分析了非均勻熱流對集熱管傳熱的影響。

J.Munoz等[11]采用內螺旋翅片的方式來降低集熱管表面由于非均勻熱流造成的周向溫度差，通過實驗和數值分析表明表明增加管內螺旋翅片可以降低了集熱管周向溫度差和熱損失，集熱器效率提高，但同時也會引起裝置內部流動阻力增加。

蔣常建等[12]對水平及傾斜同心套管環形空間內的換熱過程進了數值模擬研究，分析了裝置傾角、軸向徑向長度比值等特性對集熱器換熱效果的影響，提出了套管內外徑尺寸的最佳比值范圍。

S．M．Jeter[13]提出了一種半公式半經驗化的計算公式，可以預測CPC槽式集熱器接收器表面的能流分布情況，給出了集熱器在該表面上的光學積分，并將模擬結果與實驗數據做了對比，但該方法數值積分過程復雜，計算量大。

3 CPC集熱器的發展與展望

對于所有類型的太陽能集熱器，其核心思想始終是使接收器可獲得更多來自太陽的熱能。

對于CPC集熱器的實驗和理論分析已經有學者做了大量的研究工作，這些研究工作主要是針對特定形式、特定結構的CPC集熱器進行的。在以后的研究中，除了對CPC的結構進行進一步的優化設計，提出更合理更具有代表性的仿真模型，還需要對CPC的材料和接收器的材料進行研究。

對于集熱裝置而言，高性能的接收器意味著對于太陽輻射具有更高的吸收能力和更少的反射特性。現在工程中接收器常用的選擇性吸收涂層經歷了從最初的不具有選擇性吸收能力的普通黑漆到具有選擇性吸收能力的硫化鉛、金屬氧化物涂料，從黑鎳、黑鉻涂層到鋁陽極氧化涂層等的更新換代過程。

除了選擇性吸收涂層，根據選擇性吸收原理，接收器的吸收表面材料可分為以下幾種類型：多層膜、不均勻粒子膜，表面微孔，具有本征特征的選擇性吸收材料。

其中屬于不均勻例子膜的金屬陶瓷薄膜由于其良好的耐熱穩定性及耐濕性被廣泛的進行研究，并且通過添加AIN致密介質層來對其進行保護和防腐[14]。

4 結語

由于經濟和能源矛盾的日益計劃，世界各國都在大力發展可再生能源。太陽能作為優質無污染且儲量巨大的能源，如何對其進行更充分的利用越來越受到各界的關注。聚光型太陽能空氣集熱器在太陽能中低溫利用領域的發展迅速，本文對聚光型太陽能空氣集熱器的研究現狀進行了介紹，并且指出了該領域未來需要關注的發展方向。可以預見的是聚光型太陽能空氣集熱器的發展前景將會越來越廣闊。