一种复合抛物面槽式太阳能聚光集热器的性能研究

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第33卷第7期可再生能源Vol.33No.72015年7月RenewableEnergyResourcesJul.2015一种复合抛物面槽式太阳能聚光集热器的性能研究1，2344侯静，郑宏飞，常泽辉，于苗苗（1.内蒙古工业大学化工学院，内蒙古呼和浩特010051；2.内蒙古建筑职业技术学院机电与暖通工程学院，内蒙古呼和浩特010070；3.北京理工大学机械与车辆学院，北京100081；4.内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古呼和浩特010051）摘要：对一种新型复合抛物面槽式太阳能集热器进行了光学仿真和热性能研究。介绍了聚光器的设计与工作原理，在计算机上对其进行了三维建模，利用蒙特卡洛光线追迹模拟不同入射角、不同安装误差偏角的情况下，圆柱形聚光接收体表面上能流分布特征及光学效率的变化规律。光学仿真结果表明，当镜面反射率为0.92，在太阳光线入射角为0～7.5°时，光线接收率为99.36%～51.51%，聚光效率为92.14%～48.1%。室外测试结果显示，装置热效率为43.2%。关键词：太阳能；复合抛物面聚光器；几何光学；热效率中图分类号：TK519文献标志码：A文章编号：1671-5292（2015）07-0977-05DOI:10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2015.07.0030引言内光线进行追踪计算，利用光学分析软件Light在太阳能聚光集热技术中，槽式抛物面太Tools分析不同入射角及圆柱形接收体不同安装阳能聚光器是应用最广泛，技术最成熟的装置误差偏角时，接收体表面的能流密度、光学效率变[1]~[7]之一。在精确跟踪太阳的条件下，它的运行温化规律，为太阳能中温利用提供参考。度可以达到400℃以上。这类聚光器也存在如下1工作原理缺点：①接收体位于整体装置的上部，装置维护本文设计的复合抛物面槽式太阳能聚光器如工作难度大；②装置对太阳能跟踪精度和反射面图1所示。的光学要求非常高，一旦被反射的光线没有汇聚y54321到接收体上，就会成为无效反射，使太阳能集热AD系统效率降低；③聚光器只能利用直射辐射，无法收集和利用散射辐射。为了强化传统槽式抛物面太阳能聚光集热器的技术优势，克服其缺点和降低系统对跟踪装f2置的要求，本文设计了一种新型复合抛物面槽式f3f1太阳能聚光器。该设计将原来的单独抛物面聚光改为多个抛物面复合聚光，使得聚焦焦线下移接BECF近聚光器底部，便于装置维护和安装；降低聚光Ox器的跟踪精度，减少装置的运行成本；除了可以图1复合抛物面槽式聚光器的横截面及聚光原理图利用太阳直接辐射外，还可以接受部分散射辐Fig.1ConcentratingprincipleofnewCPCtroughsolar射。本文采用Monta-Carlo光线追迹法对聚光器concentrator收稿日期：2015-03-31。基金项目：国家自然科学基金资助项目（U126119）；内蒙古自然科学基金资助项目（2013MS0704；2015MS0545）；内蒙古自治区高校科研项目（NJZY12280）。作者简介：侯静（1982-），女，讲师，博士研究生，主要从事新能源利用技术及化工工艺研究。E-mail：houjing_1982@163.com通讯作者：常泽辉（1978-），男，讲师，博士，主要从事太阳能热利用技术的研究工作。E-mail：changzehui@163.com·977· 可再生能源2015，33（7）复合抛物面槽式太阳能聚光器是通过对两条Tools中（图3）。聚光器内部圆柱形接收体的直径完全相同的抛物线进行平移、旋转、截取后，沿对为50mm。入射光线设定为栅格汇聚光束，张角为称轴位移而得到的，它包括了复合抛物面聚光器、太阳光线张角（0.53°），模拟光束为100×100条，2二次反射平面镜和槽底抛物面聚光器。该聚光器光线辐射强度为1000W/m。光线均匀照射聚光工作原理：光线1和3是入射到抛物面DE边缘器，光线传输过程可以分解为发射、反射、吸收过上的光线，经抛物面DE往焦点f1反射汇聚，在光程，光线追迹如图4所示。线1和3之间的光线将全部照射到接受体表面上，形成条状光斑；同理，入射到抛物面AB上的z光线也会被圆柱形接收体全部接收；从进光口正yzx向入射的光线4和5将被槽底抛物面聚光器CF反射汇聚到焦点f2上，被接收体吸收。所设计的聚光器能将入射光线全部汇聚到接受体表面。根据上述设计思路，通过几何计算可以得到yy新型复合抛物面槽式聚光器设计使用的曲面xzABDE方程：y=0.003x2+0.28x-41.46（1）图3LightTools中聚光器的3D模型Fig.33DmodelofnewCPCtroughsolarconcentratorin复合抛物面槽式聚光器模型槽底抛物面CFLightTools的方程：2xy=（2）300根据设计参数及曲线方程式（1）、式（2）所制作的聚光器实物如图2所示。聚光器由不锈钢骨架构成，反射面由反射率为92%的铝板紧密贴合在骨架上，聚光器根据光敏探头实时跟踪太阳。聚光器的进光口宽度AD=550mm，底部抛物面进光口宽度BE=200mm，竖直反射面高度BC=20图4聚光器的光线追迹图Fig.4RaytracingofnewCPCtroughsolarconcentratormm，圆柱形接收体距槽底90mm。3聚光器的光学性能3.1聚光器的反射光损理想状态下，光线经复合抛物面槽式聚光器汇聚后，会在接收体表面形成聚焦光斑，但在实际应用中，由于聚光器存在跟踪误差，不能保证入射太阳光线总是从进光口正向入射，即太阳入射角不等于零。为了便于研究，定义光线接收率为接收体表面接收到的光线数目占光源发出光线总数目的比值；定义聚光效率为仅考虑入射光的逸出或被遮挡所造成的能量损失，不考虑光的衰减时，接图2复合抛物面槽式聚光器实物图受器表面接收到的能量与光源发出能量之比。所Fig.2PhotoofnewCPCtroughsolarconcentrator以，研究太阳光入射角对聚光器光学效率的影响2聚光集热系统光学性能分析具有重要的意义。如图3所示，首先通过Solidworks软件建立当太阳入射角为0°时，入射光线将全部汇聚三维模型，将所建模型导入光学仿真软件Light到接收体表面，但当跟踪装置出现误差时，必然导·978· 侯静，等一种复合抛物面槽式太阳能聚光集热器的性能研究致接收体上的聚焦光斑位置和尺寸出现变化，于7.5°时，大部分入射的太阳光能够被接收体吸使接收体表面能流密度变小。图5给出了圆柱收。当出现旋转安装误差时，即圆柱形接收体在聚形接收体在不同入射角时的光线接收率和光学光器中的α角和β角发生变化，利用光学软件效率。LightTools计算聚光器的光线透过率和接收体表面的能流密度变化。图6是逐渐增加α时，聚光100100器的光线接收率和聚光效率变化曲线。图7是逐90渐增加β时，聚光器的光线接收率和聚光效率变8080化曲线。/%/%率率收6070效10094接光线光线接收率聚光60光线接收率99聚光效率9340聚光效率50/%率9892/%20收率40接效012345678线光入射角/（°）光9791聚图5入射角对接收体光学效率的影响Fig.5Variationofopticalefficiencyatdifferentincidence9690angle95890246810从图5中可以看出，随着入射角的增大，接安装误差偏角α/（°）收体表面接收的直射光线数量越来越少，且聚光图6安装误差对接收体光学效率的影响Fig.6Variationofopticalefficiencyatdifferentinstallation效率与光线接收率变化规律相同。在光线垂直于angleerrors平面入射时，聚光器的光线接收率为99.36%，仅10096损失0.64%；当太阳入射角为7.5°时，仍有51.51%的光线被圆柱形接收体吸收。如果聚光器9692的跟踪精度设置为7.5°，按照太阳时角15°/h来/%计算，则聚光器的跟踪装置可以每30min工作率/%收9288率接效一次。线光光聚3.2接收体安装误差对聚光器的影响光线接收率8884对聚光器效率的影响因素中，还包括圆柱形聚光效率接收体在聚光器中的安装误差。安装误差包括了8480水平位置安装误差和旋转安装误差，水平位置安0246810安装误差偏角β/（°）装误差对本文所设计的聚光器的性能影响不大，图7安装误差对接收体光学效率的影响所以本文重点研究旋转安装误差对聚光器性能的Fig.7Variationofopticalefficiencyatdifferentinstallationangleerrors影响。在图3所示的坐标系中，接收体在聚光槽内的位置可由接收体的对称中心所处的坐标从图6、图7中可以看出，随着接收体安装误（x，y，z）以及接收体在不同平面内相对理想聚焦差偏角的增大，聚光器的光线接收率和聚光效率中心旋转的角度（α，β，γ）确定。其中α是接收体均减小，变化趋势一致。当接收器安装误差偏角α在x-z平面内绕y轴的旋转角度，β是接收体在等于10°时，聚光器光线接收率比没有安装误差y-z平面内绕x轴的旋转角度，γ是接收体在x-y时减小了2.9%，当接收器安装误差偏角β等于平面内绕z轴的旋转角度。当圆柱形接收体在聚10°时，聚光器光线接收率比没有安装误差时减光器内没有安装误差时，其空间位置为（0，90，0）小了15.2%。当接收器安装误差偏角α等于10°和（90°，90°，0°）。时，聚光器聚光效率比没有安装误差时减小了由上面的分析可知，当聚光器的跟踪误差小2.9%，当接收器安装误差偏角β等于10°时，聚·979· 可再生能源2015，33（7）光器聚光效率比没有安装误差时减小了14.9%。接收率大于98%，随着入射角的增大，其光线接所以，相比于安装误差偏角α，安装误差偏角β收率急剧下降。对复合抛物面聚光器的性能影响更大。圆柱形接收体的聚光器的光线接收率和聚4聚光器聚光集热性能测试光效率均随α和β角的增加而减小，其中安装误对新型复合抛物面槽式太阳能集热器进行差偏角β对聚光器的性能影响更大。室外集热性能测试。接收体选用直径为0.05m的对聚光集热器的聚光热效率进行室外测试玻璃真空管，管内水量0.25kg，初始水温为18.3及计算，其热效率为43.2%。℃。在实验中，监测太阳辐照度、水体温度和环境温度。为了提高测试精度，真空玻璃管内水体中参考文献：不同位置放置了3个热电偶，将所测平均值作为[1]LiGuiqiang，PeiGang，SuYuehong，etal.Designandinvestigationofanovellens-walledcompoundparabolic水体温度。真空玻璃管内水体温升随太阳辐照度concentratorwithairgap[J].AppliedEnergy，2014，125：和环境温度变化曲线如图8所示。21-27.[2]周希正，马春元，张立强，等.固定条形镜面太阳能聚900100光器设计及性能试验[J].农业工程学报，2014，30（1）：80161-168.2-850m[2]ZhouXizheng，MaChunyuan，ZhangLiqiang，etal.De-·/W℃/度60度signandperformanceexperimentofsolarconcentrator800照温辐withfixedstripmirrorsurface[J].Transactionsofthe太阳辐照度阳40太水温ChineseSocietyofAgriculturalEngineering，2014，30750环境温度（1）：161-168.20[3]ThomasCooper，FabianDahle，GianlucaAmbrosetti，et7009：249：279：309：339：36al.Performanceofcompoundparabolicconcentrators测试时间withpolygonalapertures[J].SolarEnergy，2013，92：308-图8装置内水温随时间变化曲线Fig.8Variationofwatertemperatureswithoperationtime318.[4]GuXiaogang，RobertATaylor，GaryRosengarten.图8中的数据显示，玻璃真空管中测试水体Analysisofanewcompoundparabolicconcentrator-温度随运行时间增加而直线上升，说明复合抛物basedsolarconcentratordesignedformethanolreforming面槽式太阳能集热器能够有效地将太阳光汇聚[J].JournalofSolarEngineering，2014，136（11）：1-9.在玻璃真空管上。聚光集热效率按式（3）计算：[5]SafaSkouri，MohieddineBenSalah，SalwaBouadila，etal.cmΔTOpticalgeometricandthermalstudyforsolarparabolicη=（3）A∑IconcentratorefficiencyimprovementunderTunisia式中：I为太阳辐照度，W/m2；A为采光面积；c为environment：Acasestudy[J].EnergyConversionandManagement，2013，75：366-373.水的比热容，kJ/（kg·℃）；m为测试水体质量，kg；[6]陈海平，于鑫玮，魏进家，等.复合抛物面聚光器-光ΔT为测试水体温升，℃。伏/光热与燃煤发电机组联合供能系统性能分析[J].经计算，本文所提出的太阳能集热器的聚光中国电机工程学报，2014，34（5）：2251-2260.热效率为43.2%。[6]ChenHaiping，YuXinwei，WeiJinjia，etal.Performance5结论analysisofCPC-PV/Thybridelectric-thermaldevice设计了一种新型复合抛物面槽式太阳能聚combinedwithcoal-firedunitpowergenerationsystem光集热器，利用Solidworks软件进行了三维建模，[J].ProceedingsoftheCSEE，2014，34（5）：2251-2260.采用Monta-Carlo法对圆柱形接收体表面的能流[7]SouravKhanna，ShireeshBKedare.Analyticalexpression密度变化、光线接收率等性能进行了计算，并在forcircumferentialandaxialdistributionofabsorbedfluxonabentabsorbertubeofsolarparabolictrough室外对其进行了测试试验。concentrator[J].SolarEnergy，2013，92：26-40.当光线入射角小于2°时，聚光集热器的光线·980· 侯静，等一种复合抛物面槽式太阳能聚光集热器的性能研究PerformanceresearchintoanovelCPCtroughsolarcollector1，2344HouJing，ZhengHongfei，ChangZehui，YuMiaomiao（1.ChemicalEngineeringCollege，InnerMongoliaUniversityofTechnology，Hohhot010051，China；2.CollegeofMechanicalElectricalHeatingandVentilationEngine，InnerMongoliaTechnicalCollegeofConstruction，Hohhot010070，China；3.SchoolofMechanicalandVehicularEngineering，BeijingInstituteofTechnology，Beijing100081，China；4.CollegeofEnergyandPowerEngineering，InnerMongoliaUniversityofTechnology，Hohhot010051，China）Abstract：Anoveltroughcompoundparabolicconcentrator（CPC）isintroducedinthispaper.Theopticalsimulationandthermalperformanceresearchesarecarriedoutandtheprinciplesofitsworkingarepresented.Atthesametime，a3Dcomputermodelofcylindricalabsorberisestablished.TheMonteCarlomethodisappliedtoinvestigatethecharacteristicsofenergyfluxdistributiononthereceiverandopticalefficiencyoftheabsorberatdifferentincidenceanglesandinstallationangleerrors.Theoutdoorthermalefficiencyofconcentratordeviceistested.Theresultsindicatethattheoverallray'sreceivingrateof99.36%～51.51%andopticalefficiencyof92.14%～48.1%areobtainedfromtheincidenceangleof0°to7.5°withthemirrorreflectanceof0.92,thermalefficiencyoftheconcentratordeviceis43.2%.Keywords：solarenergy；CPC；geometricaloptics；thermalefficiency·981·