反射聚焦式太阳能集热装置原理探索

曾令伦

(乐山市市中区 四川 乐山 614000)

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的绿色能源．加强对太阳能的研发利用，是人类缓解能源危机、实现可持续发展的长远战略．但太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源[1]，必须想办法把它集中起来，才能有效使用．所以，太阳能集热器是各种太阳能利用系统的上游部件，其效能高低，直接关系到整个系统的功效．研制高效集热、紧凑结实、经济实用的集热装置，是当前太阳能热利用技术的发展方向．本文从原理上设计了一种反射聚焦式太阳能集热装置，能最大限度地吸收一定空间范围内的太阳光线，具有占地面积小、吸热功率高、聚能密度大、可升温度高、可机动设置等特点．

1 现有研究成果

目前，太阳能集热器已发展出多种类型，属于中高温集热领域的有槽式、塔式和碟式集热器[2,3]，它们代表了当今世界太阳能集热技术发展的主流方向．这三种集热器，不仅需要精准复杂的对日跟踪系统，而且需要庞大的定日镜、反射镜等，占地面积过大．如2012年10月，由中国华能集团自主研发的太阳能光热发电项目在海南三亚投产，利用太阳能产生400～450℃的过热蒸气，其集热系统占地10 000 m2[4]；2012年8月，由中科院电工所牵头研发的延庆塔式太阳能热发电站调试成功，可产生400℃高温蒸气，推动1.5兆瓦汽轮发电机运行，但系统包括一个119 m高的集热塔、在塔的南侧地面上呈扇型分布着100面巨大的玻璃镜(定日镜)，每面镜子100 m2 [5]．如此庞大的设备，建设成本高、占地面积广，难以大规模推广应用，尤其是在太空无法应用．

2 研制反射聚焦式太阳能集热装置

利用凹面反射镜和菲涅耳透镜技术[6]，将正射和反射的阳光大部投射到一个大球状透射镜上，穿过透镜再折射聚焦到位于球心中央的小球形吸热器中，将其中工质(水、气体导热油、熔融盐或金属液)进行聚焦加热，变为高温流体，输入储热器．本装置包括吸热装置、输工质管道、跟踪太阳系统、工质储热器．

2.1 设计吸热装置

如图1所示，反射聚焦装置包括1个半合拢大球形反射镜、1个大球状透射镜、1个小球形透明吸热器．反射镜为1个大型空心球，下端被1根中空圆锥体穿过，支撑固定在一张转盘上，左上端斜开一个圆形切口，作为阳光入射口．透射镜为1个大型球形框架，下端设有圆孔，被中空圆锥体由下至上穿至中央，并被支撑固定；框架上镶嵌若干面菲涅耳透镜[7]，各面透镜呈梯形凹面、最上方呈圆形凹面，聚光焦距较长，焦点均落在球心吸热器中，确保四面八方光线都能聚集到吸热器中．吸热器为1个小型透明球形玻璃容器，设在框架球心，其壳体为耐高温玻

璃①[注]① 耐高温玻璃已发展出多种型号，如耐受350℃，450℃，600℃，750℃，1000℃，1200℃，1500℃，1700℃，2150℃等高温玻璃；耐高温粘合剂也发展出多种型号，如耐受350℃，450℃，750℃，1250℃，1280℃，1730℃等高温胶水．，内层厚、外层薄，中间夹层为真空，夹层间用一些小玻璃块连接衬垫，外壳缠绕几条玻璃纤维带；吸热器外接2条输工质管道、1条排垢管道；吸热器被中空圆锥体上端截口支撑固定，两条输工质管道、排垢管道均安装在锥体中．

图1 吸热装置示意图

如图2所示，启用吸热器时，回收压缩机活塞，畅通喷口，调节螺栓，保持适当压力；给球形吸热器加注部分冷工质，吸收太阳能后变为高温流体，渗透过滤层，沿输热管、喷口、压缩管道输入储热器；当储热器中高温流体与输热管中气压平衡时，启动压缩机，将输热管中高温流体强行压入储热器中，将热能储存起来．

图2 单向高压阀示意图

2.2 设计储热器及输送管

图3 储热器示意图

如图3所示，储热器为一个大型中空圆柱体，内层用耐高温陶瓷制作、中间层用耐高温隔热材料和耐高温合金包裹、外层用耐高温保温材料覆盖．储热器预置多个接口，可同时吸收其他各套吸热器，或锅炉等排出的高温流体．输热工质管可采用复合保温管，输冷工质管可采用不锈钢．

2.3 设计反射镜及跟踪太阳系统

如图4所示，安装1个半合拢大球形反射镜，其下端设有凹形曲面与圆锥体相接，底端固定在一张圆环形转盘上，被角架支撑，将大球状透射镜包围在内下方．转盘可围绕转轴旋转360°．在反射镜开口部低端的正中下方，将一条半封闭矩形永磁体挂接在转盘底板下，口部朝下，沿转盘半径辐射线分布．转盘下端由一个中空圆柱形转轴支撑，转轴底端架设在一张圆环型底盘上，底盘又架设在一个中空圆柱形大转轴上，并设有插销可固定．将1个空心螺纹圆筒竖直内穿转盘环心、底盘环心、两转轴环心，通过旋紧圆筒两端螺帽，将转盘、底盘、转轴固定在铅直线上.底盘稍大于转盘，其向阳一方边缘处设置一个小半球感光器．底盘上沿半径辐射线分布15条半封闭矩形螺线管，内置软磁材料，外绕铜心线圈，口部朝上，可与转盘下永磁体口部正对．在向阳一方的半圆周内，均匀分布11条螺线管，间隔18ɑ；在背阴一方的半圆周内，均匀分布4条螺线管，间隔36ɑ．其中，第1～10号螺线管和第15号螺线管，只设有一个初级线圈；第11～14号螺线管，不仅设有初级线圈，还套装1个次级线圈．

图4 电磁驱动转盘旋转示意图

如图5所示，感光器是一个小半球环状密闭盒．将球面向阳设置在底盘边缘上，或阳光不受遮挡的其他地方，以左端半径为起点，间隔18ɑ设置1张遮光板，将密闭盒分隔成11个独立小室．从球心开始，由里向外设置三层半球面，半径逐步增大．在最里层小球面上，第1个小室平行设置2个光敏电阻，第2～11个小室设置1个光敏电阻．在中间层球面上，11个小室各设置1面菲涅耳透镜，其焦点落在本室光敏电阻上．在最外层球面上，其向阳外壳上各设置一个圆形透光玻璃板．合理设置透光板面积及其与透镜距离，确保在阳光偏移幅度内(18ɑ)，只有一个小室透镜能有效受到斜射、正射阳光照射，并将阳光聚焦到本室光敏电阻上，其它小室的斜射阳光只能照在遮光板上，照不到透镜上．随着阳光偏移，11个小室从左至右顺时针接受阳光照射，但始终只有一个小室透镜能被有效照射，因而只有一个光敏电阻被激活；其中左侧第1小室2个并列光敏电阻被同时照射．

图5 小半球形感光器示意图

此外，设计一套跟踪太阳系统，分为反射镜白天跟踪太阳偏移自动旋转电路和夜间自动控制旋转电路．其中，白天跟踪太阳电路由11个同相输入比例放大器集成元件分别与感光器中11个光敏电阻、11条螺线管连接，形成11套将阳光偏移信号转变为电流信号，放大后触通螺线管、吸引永磁体、牵引转盘反射镜旋转的电路，最后1套电路将电流中断信号传递给夜间控制电路；夜间控制电路由3个热继电器、1个光敏电阻分别与4个同相输入比例放大器集成元件、4条螺线管连接，形成4套利用前一级集成电路中断信号启动本级集成电路、触通螺线管吸引永磁体、牵引转盘反射镜旋转的电路，最后1套电路将转盘固定、次日早上受阳光照射时失去吸引力，将转盘移交白天跟踪太阳电路．

3 计算几何聚光比

几何聚光比是采光面积与吸热器面积之比[8]．即

(1)

式中C为聚光比，A为采光面积，a为吸热器面积．

如图6所示，大球状透射镜四面八方都能吸收阳光，所以采光面积是指该球面上各透射镜面积之和，它可由球体表面积减去框架占用面积、下方圆锥体穿其孔洞面积而得．吸热器面积是指球形吸热器的实际吸热面积，可由吸热器球表面减去它与圆锥体接触面积而得．

图6 球形吸热器注记图

3.1 计算吸热器面积a

如图6所示，当r1≪r0时，吸热器表面与圆锥体接触的凹面积约等于以r1为半径的圆面积．所以

a=S吸热器表-S接触面≈ 4πr02-πr12

(2)

3.2 计算采光面积A

如图6所示，当r2≪r3时，圆锥体穿过大球状透射镜的孔洞面积约等于以r2为半径的圆面积．所以

A=S透射镜表-S孔洞-∑S框架≈

4πr32-πr22-∑S框架

(3)

图7 大球状透射镜表面框架图

如图7所示，参照地球经纬线划分法，将大球状透射镜框架分为经线框、纬线框．假设有14条经线框，每条经线宽d，长2πr3，每条经线框面积为2πr3d．则

∑S经线=14×2πr3d= 28πr3d

(4)

设每条纬线宽d，赤道线框周长2πr3，其面积为

S赤道框=2πr3d

(5)

以赤道线框为中心，向北、南各设置3条纬线，分别为低纬线、中纬线、高纬线．南北对称纬线的周长彼此相等．

如图8所示，设北低纬线、北中纬线、北高纬线的半径分别为r4，r5，r6，其所在纬度分别为30°，60°，80°，则

r4=r3×cos30°=0.866r3

r5=r3×cos60°=0.5r3

r6=r3× cos80°=0.17r3

1条低纬线框周长2πr4=2π×0.866r3=

1.732πr3；

1条中纬线框周长2πr5=2π×0.5r3=πr3；

1条高纬线框周长2πr6=2π×0.17r3=

0.34πr3.

图8 大球状透射镜注记图

所以，南北2条低纬线框面积为3.464πr3d，2条中纬线框面积为2πr3d，2条高纬线框面积为0.68πr3d

各纬线框面积和为

∑S纬线=8.144πr3d

(6)

∑S框架=∑S经线+∑S纬线=36.144πr3d

(7)

将公式(7)代入(3)，得

A≈ 4πr32-πr22-36.144πr3d

(8)

将公式(2)、(8)代入公式(1)，得

(9)

假设r0=1 m，r1=0.1 m，r2=1 m，r3=10 m，d=0.03 m．代入上式得

C≈97.3

4 计算吸热功率和可升温度极限

4.1 根据太阳向宇宙辐射能量公式计算

因为太阳每秒向宇宙空间辐射能量为[9]

Qs=4πr2σTs4

(10)

式中，Qs为太阳单位时间辐射能，r为太阳半径，σ为斯蒂芬-波尔兹曼常量①[注]①斯蒂芬-波尔兹曼常量为5.67×10-8W/(m2·K4)．，Ts为太阳表面的绝对温度②[注]②太阳表面的绝对温度约为6 000 K．．

如图9所示，将地球围绕太阳旋转的轨迹近似看作圆，太阳每秒投射在地球表面某点上的能量为[9]

(11)

式中，R为地球绕太阳运动的圆半径，A为某点采光面积．

图9 太阳辐射地球表面某点示意图

设吸热器的太阳能吸收率为η1，透镜和玻璃板的透过系数为η2．由于太阳光辐射到地球时，会受到地球大气层的吸收和散射影响，使得透过大气层的太阳能受到衰减[10]．设大气透过率为η3③[注]③地球大气层是一个复杂系统，大气透过率是由大气分子和悬浮气溶胶颗粒的吸收和散射造成的，通常夏季高、冬季低，晴天高，雨雾天低．设想装置在较为晴朗的天气下工作，可设大气透过率为0.85．．则吸热器每秒吸收的太阳能为

(12)

式中θ为地球表面某点距太阳两极的张角，约为32′[9]．

吸热器吸收能量后，也象太阳一样存在着辐射热损．设其热发射率为ε，其辐射热损为[9]

Qa=εaσTa4

(13)

式中，a为吸热器面积，Ta为吸热器表面的绝对温度．假设从吸热器引出的有用收益、吸热器的对流传导热损与吸热器吸收太阳能Qs→a之比值为η4，则有[9]

(1-η4)Qs→a=Qa

(14)

将式(12)、(13)代入(14)，得

(15)

(16)

可见，吸热器的吸收率η1越高，透镜和玻璃板的透过系数η2越高，阳光穿越大气层的大气透过率η3越高，吸热器的有用收益加对流传导热损之和与吸热器吸收太阳能之比η4越小，吸热器的热发射率ε越小，聚光比C越大，吸热器可升温度极限就越高．反之，吸热器可升温度极限就越低．

对于本吸热装置，假设η1=0.9，η2=0.9，η3=0.85，η4=0.5，ε=0.5，r0=1 m，r1=0.1 m，r2=1 m，r3=10 m，d=0.03 m．则吸热器可升温度极限为Ta=1 171 K.

由式(8)和(12)，可得本装置吸热功率为

Qs→a=η1η2η3(4πr32-πr22- 36.144πr3d)·

(17)

将上述预设参数代入，得

Qs→a=1.336×106J/s

(18)

4.2 根据太阳辐射地球常数计算

因为太阳1 s内垂直照射在地球表面1 m2上的能量为1353 J[11]，所以

Qs→a=η1η2AQ太阳辐射常量=1353η1η2AJ/s

(19)

将式(8)、η1=0.9和η2=0.9代入式(19)，得

Qs→a=1.336×106J/s

(20)

将式(18)与(20)进行比较，两种方法算出结果一样．

4.3 计算聚能密度

根据式(17)或(19)，可得装置单位时间内吸收的太阳能，用它除以小球形太阳能吸热器的容积，可得吸热器单位时间内的聚能密度ρs→a.

(26)

或者

(27)

将上述预设参数代入式(26)，得

ρs→a=3.19×105J/(s·m3)

(28)

将上述预设参数代入式(27)，得

ρs→a=3.19×105J/(s·m3)

(29)

将式(28)与(29)进行比较，两种方法算出结果一样.

5 初步结论

本装置作为一个整体结构，可以机动设置，与槽式、塔式、碟式集热器相比，装置体积、占地面积和热损耗较小，聚能密度、吸热功率和工质升温极限较高，建设成本较低．如果适当降低小球形吸热器半径，增大大球状透射镜半径，将显著地提高装置的聚光比、吸热功率和工质升温极限．储热器储存的高温流体，既可用于白天，也可用于夜晚．如果采用过滤净化后的普通水(甚至海水、被污染的水)作工质，输入吸热器，吸收太阳能后变为高温高压水蒸气，做功降温后变为纯净液态水，附带自动净水功能．本装置具有储热功能，不仅可用于日照充足的地区，还可用于日照较差的地区；不仅可用于地面，还可用于太空和外星球，且在宇宙空间随着阳光辐射增强、其吸热功率和工质温度也将更高．

参考文献

1 朱方园，韩满林,丰济济.太阳能发电用太阳跟踪器的设计.控制工程，2009.11(第16卷增刊)

2 太阳能热发电系统基本类型,中国能源网.http://www.china5e.com/show.php?contentid=45210

3 太阳能热发电，百科名片.http://baike.baidu.com/view/1616344.htm

4 首条线聚焦直接蒸汽式光热发电投产，北极星太阳能光伏网，中国能源报，2012.11.7

5 李大庆.我国首座太阳能热发电站稳定运行，中国科技网讯，科技日报，2012.12.14

6 菲涅尔透镜，百科名片.http://baike.baidu.com/view/229022.htm

7 菲涅尔透镜在太阳能聚光光伏系统(CPV)中的应用.http://blog.china.alibaba.com/article/i12191995.html. 2010.04.13

8 聚光比，百科名片.http://baike.baidu.com/view/9056662.htm

9 新石.聚光装置的极限聚光比和极限温度.太阳能,1981(04)

10 郝允祥.张保洲.郑晓东.梅漫.天顶亮度与大气透过率关系的观测，太阳能学报，1991,12(2):4

11 太阳辐射-太阳常数.百科名片.http://baike.baidu.com/view/287541.htm