线性菲涅耳集热器的光学效率分析

■ 徐众 刘黔 邹敏 黄平 吴恩辉 李军 侯静

（1.攀枝花学院生物与化学工程学院；2.四川省太阳能技术集成及应用推广实验室；3.攀枝花学院钒钛中心）

0 引言

近几年太阳能聚光发电在世界上备受瞩目，以槽式、碟式和塔式聚光的发展最为迅速。但是还有一种线性菲涅耳聚光集热器因为效率低而被忽视。使用几条平的或略带弯曲的镜子将太阳光直接反射到接收器上对介质进行加热的一种简易装置就称之为线性菲涅耳聚光集热器。和槽式聚光器相比，线性菲涅耳聚光器具有结构简单、低风载、接收器固定和土地利用率高等优点，虽然效率低，但是成本却大大降低[1]，近年来已在一些大型太阳能热发电中得到示范应用[2-5]。国内有部分学者对线性菲涅耳集热器的跟踪[6]、镜场辐射量[7]和镜场遮挡[8]问题进行了详细的研究，但是关于线性菲涅耳集热器光学效率的研究较少，文献[9]对影响槽式聚光器效率的因素(反射镜的光学损失、接收器的光学损失、接收器的热损、集热器遮挡、集热器端部损失、入射角损失和管道损失)进行了详细分析。文献[10]通过大量的模拟研究得出线性菲涅耳聚光集热器的端部损失变化规律。本文通过建模的方式对小型线性菲涅耳集热器的光学效率进行模拟研究，并与槽式聚光器进行对比，然后对影响集热器光学效率的相关因素进行详细分析，提出相应的措施对集热器进行优化，提高集热器光学效率。

1 实验仪器介绍及其安装

1.1 实验设备介绍

实验使用的反射器有两部分：一部分为初级反射镜。反射镜场的长和宽分别为600 cm和295 cm，分为6个长方形块，每个长方形块又由48块长和宽分别为50 cm和10 cm的小镜元组成，并且在6块反光镜的端部安装太阳能跟踪器，组成一个完整的初级反射镜场。另外一部分为次级反射镜，由两块圆弧半径为7 cm的铝合金挤压而成，其光口宽度为18 cm。集热装置采用华园新能源公司生产的用于太阳能中高温发电的PTIII型太阳能直通管。

1.2 实验设备安装

实验设备安装采用南北向放置、东西向跟踪。6个反光镜组对称分布在集热元件的东西两边。

到达槽式聚光和一些带有腔体吸收器的线性菲涅耳聚光集热器吸收体表面的光线主要集中于吸收体的下表面，而上表面几乎无光线到达，如图1a、图1b所示。本文设计的线性菲涅耳集热器选择在吸收体上方1 cm处安装两块圆弧状次级反射镜，这样可使到达接收器上下表面的光线分布更均匀，传热传质更稳定，如图1c所示。图1b和图1c是对图1a的一种改良，而这种改良热效率虽然降低，但是成本也随之降低，更适合于小型工业应用推广。

图1 3种聚光器的光路简图

图2 实验设备安装简图

实验设备安装简图如图2所示。其中l为二次反射镜的开口度，它由主镜场的半宽w、接收体距离镜场中心的高度h和接收体的外半径r决定，其关系式为：[11]

本文使用的吸热管的半径、镜场的半宽和吸收体距离镜场中心的高度分别为7 cm、127.25 cm、150 cm，将其带入式(1)可得到实验时使用的二次反射镜开口度的大小。

2 系统光学效率

2.1 影响光学效率的主要因素

反射镜的光学损失和接收器的光学损失是影响系统光学效率的两个重要因素，而入射角损失和端部损失同样也会对光学效率产生一定影响。造成反射镜损失的主要因素有：跟踪精度取决于跟踪系统和转动装置[11]；几何精度由反射镜的结构和形状决定；反射率和反射误差主要由反射镜的材料、反射镜的洁净度和灰尘等因素决定。而接收器的光学损失取决因素为：集热元件的洁净度、密封头的损失、选择性吸收涂层的吸收率、灰尘的覆盖、密封头的遮挡和涂层的老化等。

通过TracePro6.0模拟可知，入射角余弦、遮阴、阻挡、端部损失、反射镜材料(反射率、透过率和吸收率)的变化都会对光学效率产生影响。并且得出几个特殊规律：1)光学效率会随着镜元的焦距和接收器长度的增加而增加，只是增加的速率在不断减小；2)光学效率会随着镜场布置方向与南北线夹角、镜元的几何误差和跟踪时间间隔的增大而减小，并且减小的速率不断增大；3)在相同条件下采用圆弧形二次反射镜比采用梯形反射镜的光学效率高。

2.2 光学效率对比分析

线性菲涅耳集热器的光学效率η0可定义为集热器接收的太阳辐射与太阳直接辐射和反射镜开口度乘积的比值。由于二次线性菲涅耳集热器的反射比较复杂，测量比较困难，因此本文采用光线追迹来获得吸收体接收或吸收的能量。实验使用的初级反射镜的反射率为0.92，次级反射镜的反射率为0.95，吸收体外部使用的是高硼硅玻璃透过率0.95，接收器使用的选择性吸收涂层的吸收率为0.94；文献[11]中使用的初级反射镜的反射率为0.94，吸收体外部使用的玻璃罩的透过率为0.95，接收器的吸收率为0.95。

本次模拟得到的光学效率与文献[11]中的效率对比如图3所示。从图3可知，此次模拟得到的光学效率其变化趋势大体与文献一致，但是效率值比文献中的线性菲涅耳集热器以及普通槽式聚光集热器的低。从材料对比来看，反射率、吸收率和透过率基本一致，不会对光学效率产生如此之大的影响。从实际情况来看，影响光学效率下降的因素主要有：1)实验装置安装在城市的中心，初级反射镜污染严重，反射镜效率低；2)固定接收器的支架会对跟踪器产生遮挡导致跟踪不精确，影响系统的光学效率，此次实验使用的跟踪器安装方式和文献[12]相一致；3)二次反射镜的开口度和反射率；4)反射光线的偏移量，简称集热器端部损失。

图3 光学效率对比分析

此次实验得到的系统平均热效率为35.3%，与同类线性菲涅耳集热器的43.5%、槽式聚光集热器的51.3%[11]对比可看出：实验使用的集热器热效率偏低，还有待提高。而影响集热器热效率偏低的重要因素之一就是光学效率，因此还需要对集热器进行改良，提高其光学效率。

2.3 入射角修正系数对比分析

入射角修正系数是衡量入射角损失的一个标准。入射角损失就是当入射光线通过反射镜后反射光线与理想镜面反射光线存在的一定偏差，当反射镜的构造较复杂时反射光线的偏差就会更大。入射角损失会对集热器的光学效率产生影响，所以本文也对入射角修正系数进行了模拟分析，并且对其进行线性拟合，得出入射角修正系数与入射角之间的关系如式(2)：

图4 入射角修正系数对比

从图4可知，模拟得出的曲线没有规律可循，而拟合后变化规律就比较清晰。拟合后的曲线和文献[9]中的曲线变化规律相似，说明此次拟合是可行的。但还存在一定偏差，主要因为文献中使用的是槽式聚光器，其反射镜构造比较复杂，入射角修正系数也就相对较大。从图中还可看出，本文所使用的反射镜入射角修正系数随着入射角的增大而快速减小，这会对集热器光学效率提升产生一定的干扰。

在以后的计算中，如果使用入射角修正系数，可采用本文所拟合的公式进行计算，在满足实验需求的基础上不需做过多调整。

2.4 端部损失分析

反射光线偏移造成的损失称之为端部损失，正午时刻的端部损失可由式(3)计算[10]：

式中：d为镜元中心到镜场中心的距离；h为吸收体到镜场中心的距离；φ为当地地理纬度；n为一年当中的天数；δ为赤纬角。可使用Cooper公式计算[13]：

从图5可看出端部损失随时间延长而增大，这就是菲涅耳线性聚光集热器只是从长处延伸而不从宽处扩展的原因。6月份时(夏至)端部损失达到最小值，几乎为零；在1月和12月时(冬至)达到最大值，端部损失约达33%，此时相当于其中一根真空管完全失去作用。

图5 时间对集热器端部损失的影响

3 结论

由于线性菲涅耳聚光集热器的效率不高，所以本文对其中的一个重要影响因素(光学效率)进行了模拟分析，最终寻找到一些改良之法。具体改良方式如下：

1)在线性菲涅耳集热器主镜场的中心轴上安装两个喷头对镜场进行清洗，保持镜面洁净。

2)将支撑接收器的支架向镜场外部移动一定距离，使其阴影遮挡不到跟踪器，还可使用其他的跟踪系统[6]。

3)吸收体端口使用金属盘管连接会对光利用产生一定影响，因此应尽量缩短接金属盘管的长度。

4)对比发现，本文使用的反射镜所产生的入射角损失系数比槽式聚光集热器的小，因此入射角损失相对较大，从而必须进一步提高镜场的几何精度，减小入射角损失，提高光学效率。

5)实验时接收器也安装了跟踪系统，这样虽然可减小端部损失，但是接收器的位移会带来高温高压的管路密封与连接问题。在以后实验中可固定接收器，增加镜场长度来减小端部损失。

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