微弧线性菲涅尔太阳能集热器的设计

欧阳海玉，牛玉刚，王浩林，闫柏玲

(1.华东理工大学 化工过程先进控制和优化技术教育部重点实验室，上海 200237;2.上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海 200070;3.河北轨道运输职业技术学院，河北 石家庄 050051)

0 引言

线性菲涅尔反射式(Linear Fresnel Reflector，简称LFR)集热器由微弧反射镜、吸收器和跟踪器组成。集热器有多排反射镜，而且每一面反射镜都按照一定的角度跟踪太阳，并将反射光线汇聚到固定的接收器上。LFR系统反射镜均采用平面镜，在太阳能中高温利用中具有很大的发展潜力［1-2］。然而，由于平面镜反射光斑的宽度较宽，在某种程度上削弱了聚光效果，因此，为了改善集热器的聚光效果，应采用具有一定弧度的镜面，如较小弧度的柱面镜［3-4］。

镜场一般采用南北方向布置，接收器固定安装在镜场中心上方。但是由于反射镜的间距以及接收器的体积和位置的影响，LFR系统普遍存在遮挡和阴影现象，如何减小遮挡和阴影对于系统的影响，是线性菲涅尔集热器设计需要解决的关键问题。Mills等［5］提出了紧凑型LFR聚光装置的概念，可以减小遮挡和阴影造成的反射镜间距。杜春旭等［6-7］研究了线性菲涅尔聚光系统无遮挡镜场布置的矢量分析和光学几何方法，给出了无遮挡和阴影的条件。该文提出了在没有遮挡的临界情况下微弧反射镜镜场的布置方法，设计了带有光电式单轴太阳跟踪器的微弧线性菲涅尔太阳能集热器。在该集热器中，反射镜都能在跟踪器的控制下追踪太阳，将太阳光线反射到吸收器上，达到良好的聚光集热的效果。

1 LFR集热器镜场设计

1.1 LFR集热器镜场布置原理

LFR集热系统镜场布置原理图1所示。假设每一排反射镜都能跟踪太阳并将入射到反射镜面的阳光反射到吸收器上。吸收器开口宽度为W，距离镜场中心O的高度为H。为防止相邻微弧反射镜之间的遮挡现象，相邻的反射镜应该保持适当的距离Sn。设等弦长反射镜的弦长为D，拱高为d，第n面反射镜与镜场中心O的水平距离为Qn，反射镜中心切线与水平面夹角为βn，下端点切线与水平面夹角 βn，d。

根据图1中的几何关系，可以得到镜场布置所需要的关键参数的表达式:

图1 镜场布置设计原理图

式中 α 由式(4)［8］求得:

其中δ为太阳赤纬角;ψ为当地纬度，北半球取正值;ω为太阳时角。设弧面镜弧面半径为R，根据几何关系可以求得βn，d:

当太阳直射光线与水平x轴垂直时，α为90°，此时镜场的初始条件为:

1.2 腔体吸收器宽度确定

腔体吸收器开口宽度W的范围由D、H和边缘反射镜距接收器中心水平距离QN决定。开口宽度W必须大于最边缘反射镜光斑宽度才能保证将所有反射光线吸收。在实际应用中，吸收器开口宽度应取最小值，即开口宽度等于最边缘反射镜光斑宽度。因此，根据图1中几何关系可以得到吸收器开口宽度W的表达式:

由(1)～(8)式可以求得集热器镜场的布置参数。由(8)式计算腔体吸收器开口W时所用到的初始宽度为D，可能导致接收器的阴影宽度大于Q1，使得吸收器在镜场的阴影对反射镜产生遮挡，因此需要将此时的开口宽度W进行优化计算。优化计算时，将求得的腔体吸收器开口宽度W带入(9)式中，重新计算镜场的各参数。

整个集热器布置参数的确定逻辑如图2所示。首先根据(1)～(8)式计算出镜场参数，然后将求得的开口宽度W按照图中判断关系式进行判别，如果满足设计要求则得到的是正确的镜场布置参数，如果不满足，则将求得的开口宽度带入(9)式重复上述计算过程，直到满足判断关系式，得出正确结果。

图2 镜场设计逻辑图

1.3 LFR集热器镜场布置设计

由于三角形腔体吸收器内部能量分布均匀，而且吸收器内壁能量密度高，对于线聚焦菲涅尔反射镜太阳能集热器有较好的热性能［9］，所以本文设计的集热器采用高4 000 mm，腔体开口宽度为230 mm的三角形腔体吸收器，集热器两边分别布置5面弦长为400 mm、长6 000 mm、拱高为1 mm的反射镜。根据上文提出的设计方法，求出集热器设计的所需要的布置参数如表1所示。

表1 集热器布置参数表

根据表1中的镜场布置参数，利用TracePro光学仿真软件建立镜场模型。其中，反射镜(超白玻璃)反射率为0.97，吸收率为0.03，腔体吸收器反射率为 0.03，吸收率为 0.97。通过仿真，可以得到本文所设计的集热器镜场光线追迹和能量分布图，如图3所示。从图中可以看出，当太阳入射角为90度时，本文设计的集热器镜场中，相邻反射镜没有遮挡和阴影现象，而且由于吸收器下方阴影处没有布置反射镜，所以吸收器阴影对系统也无影响，从仿真分析结果来看，本文提出的设计方法是正确可靠的。

2 单轴跟踪器的设计

LFR集热器镜场中每一面反射镜都要实时追踪太阳，并且将放射光线汇聚到固定位置的接收器上。镜场在设定好镜场初始角度后，太阳每转动α°时，镜场反射镜相应的转动α°/2即可以实现将反射光汇聚到接收器上［10］。为满足上述要求，本文设计了一种光电式单轴太阳跟踪器。其原理是把光信号转换为电信号，然后经过集成运放电路控制继电器，驱动电机来实现对日跟踪。图4为跟踪器控制电路图。

图3 集热器光线追迹图和吸收器能量分布图

电路中光敏电阻分别置于隔光板的两侧，当两个光敏电阻受到太阳光照强度有变化时阻值发生相应改变，并转化为相应的电压信号输入到LM741运算放大器上，电压信号经过集成运放电路处理后，通过控制Q1、Q2两个三极管开关的通断来控制继电器K1、K2的开关，从而驱动电机正反转，使反射镜追踪太阳东西反向转动。

图4 跟踪器控制电路图

图5 跟踪器工作流程图

控制电路调试时先取下隔光板，将两个光敏电阻置于相同光照强度环境下，调节滑动电阻R1使LM741输入电压为零。调零后，加上隔光板，将光敏电阻置于不同光照强度环境下，根据放大器的工作原理，将放大电路调整到最佳的放大倍数，使得电路既有可靠的控制精度又具有高的灵敏度，以满足系统的要求。图5为跟踪器工作流程图，跟踪器开始工作时，光敏电阻采集光照信息，当R2光照强度大于R1时，Q2导通，K2控制电机往东转，反之则Q1导通，K1控制电机往西转实现对日跟踪。

图6为Multisim仿真的电压波形。(a)为R2处于阳光下，R1处于阴影下时，K1和K2回路电压波形图。此时Q1断路，Q2导通，K2控制电机正转，使得反射镜往东运动。(b)中Q1导通，Q2断路，此时K1控制电机反转，反射镜往西运动，直到LM741a输入电压为0，即满足跟踪要求时，Q1、Q2都断路，电机无动作。

3 结束语

图6 控制电路电压波形图

本文研究了微弧线性菲涅尔太阳能集热器镜场布置原则，通过分析LFR集热器的一些重要参数之间的几何关系，推导出该类系统接收器高度、镜场的布置范围、相邻反射镜间距等参数的关系，提出了微弧反射镜在镜场布置的最佳初始角度、接收器开口宽度的确定方法，并且按照该方法设计了一套带有光电式单轴太阳跟踪器的微弧线性菲涅尔太阳能集热器，对微弧线性菲涅尔太阳能集热器的优化设计提供了很好的模型参考。

［1］KALOGIROU S A.Solar thermal collectors and applications［J］.Progress in Energy and Combustion Science，2004，30:231-295.

［2］NEGI B S，MATHUR S S，KANDPAL T C.Optical and thermal performance evaluation of a linear fresnel reflector solar concentrator［J］.Solar＆ Wind Technology，1989，6(5):589-593.

［3］FACAO J，OLIVEIRA A C.Numerical simulation of a trapezoidal cavity receiver for a linear Fresnel solar collector concentrator［J］.Renewable Energy，2011，36(1):90-96.

［4］FACAO J，OLIVEIRA A C.Simulation of a linear fresnel solar collector concentrator［J］.International Journal of Low-carbon Technologies，2010，5(3):125-129.

［5］MILLS D R，MORRISON G L.Compact linear fresnel reflector solar thermal power plants［J］.Solar Energy，2000，68(3):263-283.

［6］杜春旭，王普，马重芳，等.线性菲涅尔聚光系统无遮挡镜场布置的光学几何方法［J］.光学学报，2010，30(11):3276-3282.

［7］杜春旭，王普，吴玉庭，等.线性菲涅尔聚光系统无遮挡镜场布置的矢量分析法［J］.太阳能学报，2012，33(3):397-404.

［8］杜春旭.线性菲涅尔太阳能聚光系统的理论分析与实验研究［D］.北京:北京工业大学，2012.

［9］谢文韬.菲涅尔太阳能集热器集热性能研究与热迁移因子分析［D］.上海:上海交通大学，2012.

［10］周小泉，周海妮，谭永超，等.线性菲涅尔反射式太阳能集热系统镜场优化布置及光学性能开发与应用研究［J］.实验室研究与探索，2012，31(10):306-309.