线性菲涅尔反射式太阳能集热系统的设计与试验研究*

朱艳青，李育坚，王雷雷,2，邓育军，史继富†，徐 刚†

（1. 中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2. 中国科学院大学，北京 100049）

线性菲涅尔反射式太阳能集热系统的设计与试验研究*

朱艳青1，李育坚1，王雷雷1,2，邓育军1，史继富1†，徐 刚1†

（1. 中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2. 中国科学院大学，北京 100049）

本文研究了线性菲涅尔反射式太阳能集热系统，基于几何光学原理计算模拟了线性菲涅尔反射镜镜场和复合抛物面的接收系统，在减少末端损失的基础上设计了系统的机械结构，制作了线性菲涅尔反射式太阳能集热系统的装置，并进行了集热性能的实验测试。测试结果表明，该系统在9倍聚焦倍率下，导热油的最高温度可达176.2℃，系统的平均瞬时热效率约为53%，很好地实现了其集热性能。

太阳能；线性菲涅尔；集热性能；镜场布置

0 引 言

随着全球能源供应问题日显突出和环境污染问题的日益严重，太阳能中高温热利用技术得到了人们越来越多的关注。目前太阳能中高温集热系统一般分为槽式和菲涅尔反射式太阳能集热系统两种[1,2]。相比于目前已经得到商业化利用的槽式太阳能集热系统，线性菲涅尔反射式太阳能集热系统采用平面反射镜，具有易于制造、价格低廉、反射镜风载低等优点，其既可以为工业和家庭提供中高温热源，也可建造太阳能热发电厂，在太阳能中高温热利用方面有很大的发展潜力。然而，目前线性菲涅尔反射式太阳能集热系统存在相邻镜面的阴影和遮挡问题、末端损失问题，导致了系统效率较低，必须通过研究镜面的优化布置形式来提高系统效率；另外，经济高效的太阳能接收装置也是提高系统效率的一个重要方面。目前对线性菲涅尔反射式太阳能集热系统的研究已经成为了中高温领域的前沿课题之一，具有十分重要的学术研究意义和非常广阔的应用前景。

本文对线性菲涅尔反射镜镜场进行了优化设计，接收装置采用了复合抛物面聚光器 + 接收管的形式，接收管采用热性能最好的直通式金属–玻璃套管，搭建了线性菲涅尔反射式太阳能集热系统，并对该系统进行了集热性能的测试。

1 光学设计

1.1 复合抛物面聚光器设计

复合抛物面聚光器是一种根据边缘光学原理设计的非成像聚光器，只要光线入射角小于其设计值，则可全部反射到接收管上[3-5]。如图1所示，它由底部的圆渐开线（AFB）和上部的抛物线段（BC、AD）两部分组成。因其为轴对称结构，对其进行计算时只需考虑一侧的截面，可以得到复合抛物面聚光器的右半段的参数方程：

在圆的渐开线段中：

在抛物线段中：

图1 复合抛物面Fig. 1 The compound parabolic collector

根据镜场边缘反射镜反射光线作为最大入射角进行设计。本文中最大入射半角取180°，主要为了便于增加镜场，扩大口径，增加系统接收太阳光的面积。

1.2 线性菲涅尔反射镜镜场设计

线性菲涅尔反射镜镜场的优化布置是提高系统效率的关键。镜场优化布置的关键是找出没有遮挡的极限情况下，菲涅尔反射镜镜场各参数之间的关系[6-9]。镜场南北布置，随着单轴跟踪器绕镜场中心东西旋转跟踪太阳，接收装置安装在镜场中心的一定高度的支架上。

图2所示为线性菲涅尔反射镜场的布置设计图，所有反射镜的倾斜角不同，相邻反射镜的间距不同，确保了太阳光能够聚焦到接收器上，并且避免了相互遮挡。根据反射定律，可以得出镜场重要参数的表达式：

式中，1≥n，其初始参数为Q0= 0，β0= 0，Q1= S1，根据上述递推公式即可计算出整个菲涅尔反射镜镜场的参数。

图2 线性菲涅尔反射镜镜场设计图Fig. 2 The schematic design of mirror field layout of linear Fresnel reflector solar collector

2 机械结构设计

2.1 末端损失

在北回归线以北，太阳始终在南方，对于南北向水平放置的菲涅尔反射式太阳能集热系统，如图3所示，入射到反射镜上的光有一部分是损失掉的，被称为末端损失[2,9]。主要由末端影响因子Г对末端损失进行评价，其表达式为：

式中，Lend为末端损失长度，L为接收器总长度。末端影响因子Г值越大，则末端损失越小。

为了提高末端影响因子Г，减少末端损失，如图3中所示，把反射镜和接收器整体向南倾斜α角，则末端损失减少值LΔ为：

式中，lend为倾斜α角后的末端损失长度，H为接收器距离反射镜的竖直高度，φ为入射太阳光与竖直面的夹角。

图3 末端损失Fig. 3 The end loss energy

2.2 机械结构设计

图4 机械结构简图Fig. 4 Mechanical structure diagram

为了减少上述的末端损失，设计了可以倾斜一定角度的机械结构，如图4所示。系统南北放置，绕轴在东西方向上转动。系统转轴的低端通过铰链与底架支座链接，转轴的高端与推杆连接，可以调节倾斜的角度。可以根据不同的季节，调节角度，在一定程度上减少末端损失，提高系统效率。本文测试的时间为冬至左右，此时，广州的太阳高度角比较低，测试时系统有15°的倾斜角，因此，本文测试的数据即为减少末端损失措施后的实验数据。另外，如果水平放置，太阳光能够达到接收器上的能量非常少，几乎没有光照，所以没有进行测试。

3 性能测试试验

根据上述系统设计，制作了线性菲涅尔反射式太阳能集热系统的实验装置，如图5所示，反射镜镜场由22块规格为96 mm × 2000 mm × 5 mm的超白玻璃反射镜组成，接收管采用热性能良好的长为2000 mm的直通式金属玻璃套管，包括口径为70 mm的金属内接收管和口径为100 mm的玻璃管，聚光倍率为9倍，实验用导热油的密度为820 kg/m3，比热为2.5 kJ/(kg·℃)，循环体积流量6 L/min，导热油的体积为80 L。本文的测试目的在于测试整个系统的效率以及系统的热损系数，整个系统为一循环的闭环，因此设计了如下的测试实验方法：实验测试时，辐射传感器以及PC-2太阳辐射记录仪用来记录太阳光的光强，其中辐射传感器放在跟踪支架上；多路温度采集仪一路用于测量环境，另一路放在集热器接收器的入口处，用于测量导热油的入口温度。

图5 集热系统的实验装置及测试仪器Fig. 5 Experimental device and test instrument of the collecting system

系统的倾斜角度为向南倾斜15°，测试时间为2013年11月25日9:00 ~ 13:30。当日天气晴，无持续风向，且风力 ≤ 3级。测试结果列于表1。

表1 集热系统瞬时热效率曲线测试数据Table 1 The tested date of curve of the collecting system instantaneous efficiency

图6 集热系统瞬时效率曲线Fig. 6 The efficient curve of the collecting system

拟合的瞬时效率方程[10]如下：

该效率方程的截距为0.69，热损系数为

2.21 W/(m2·℃)，可以看出随着温度差值的增大，集热效率逐渐减小。此热损系数为整个系统的热损失系数，包括真空管、管路、油罐等的热损失，因此系统的保温性能，尤其是管与管连接处的保温的进一步提高，对系统效率的提高尤其重要。在9倍聚光倍率下，导热油的最高温度可达176.2℃，系统的平均瞬时热效率约为53%，相比其他文献中的数据[2,11]，此效率更高。随着聚焦倍率的提高，系统的温度继续提高，可到达500℃，完全可以满足人们对中高温的需求，既可以为工业和家庭提供中高温热源，也可建造太阳能热发电厂，具有很好的实际应用价值。

4 结 论

本文在对线性菲涅尔反射镜镜场、接收系统和机械结构的优化设计基础上，制作了线性菲涅尔反射式太阳能集热系统的装置，并对该装置进行了集热性能测试实验。实验结果表明，该系统在9倍聚焦倍率下，导热油的最高温度可达176.2℃，系统的平均瞬时热效率约为53%，很好地实现了其集热性能。本文的设计方法和测试结果对中高温集热的应用和发展具有重要的参考价值。

[1] 张耀军, 王军, 张文进, 等. 聚光类太阳能热发电概述[J]. 太阳能, 2006, 1: 39-41.

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[5] 季杰. 太阳能光热低温利用发展与研究[J]. 新能源进展, 2013, 1(1): 7-31.

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[10] 李戬洪, 江晴. 一种高效平板太阳能集热器试验研究[J]. 太阳能学报, 2001, 22(2): 131-135.

[11] 林蒙. 基于腔体吸收器的菲涅尔反射式聚光型太阳能集热器[D]. 上海: 上海交通大学, 2013.

Design and Experimental Study on Linear Fresnel Reflector Solar Collector System

ZHU Yan-qing1, LI Yu-jian1, WANG Lei-lei1,2, DENG Yu-jun1, SHI Ji-fu1, XU Gang1

(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

In this paper linear Fresnel reflector solar collector system was studied. Based on the principle of geometrical optics, the mirror field layout and compound parabolic collector were calculated. The mechanical structure of the system was designed to reduce end loss energy, and the linear Fresnel reflector collector device was made. The solar collecting performance was tested. The experimental results show that the maximum temperature of the heat transfer oil is 176.2°C with the concentration ratio of 9 times. The averageinstantaneous efficiency of the system is 53%, which achieves a good solar collecting performance.

solar energy; linear Fresnel; solar collecting performance; mirror field layout

TK519

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.02.006

朱艳青（1983-），女，硕士，助理研究员，主要从事聚光太阳能利用技术的研究与开发。

2095-560X（2014）02-0117-05

2014-02-24

2014-04-23

广东省教育部产学研结合项目（2012B091100204）；中国科学院广州能源研究所所长创新基金培育专项（y307p81001）；广东省战略性新兴产业项目（2011A032304003）

† 通信作者：徐 刚，E-mail：xugang@ms.giec.ac.cn；史继富，E-mail：shijf@ms.giec.ac.cn

史继富（1982-），男，博士，副研究员，硕士生导师，主要从事热管式真空集热管的研究与开发。

徐 刚（1970-），男，博士，研究员，博士生导师，中国科学院“百人计划”项目引进人才，主要从事太阳能光热、光电纳米复合材料的研究与开发。