影响CPC光学效率的两个因素研究

许瑞华 缪发群

1.云南机电职业技术学院 云南 昆明 650203;2.云南师范大学 云南 昆明 650203

引言

CPC 最早是在1966 年由Hinterberger& Winston 和Baranov&Melnikov提出[1];1974年Winston提出将CPC用在太阳能收集方面[2];近几年与CPC应用相关的文章大量出现。

本文以接收半角35.5°的圆管型全对称CPC为例进行分析,CPC吸收体沿东西放置,采用固定倾角放置(倾角为当地维度),该设计可以保证每天7小时的日采光量。

1 镜面反射率对光学效率的影响

一般工程上采用不同材质的反射面,它的反射率可以从0.5至0.95不等,不锈钢反射面反射率大约0.5至0.6左右,反射率相对较低,但是其加工方便、经久耐用;反射率较高达到0.9以上的有镜面铝和镀银玻璃等材料,相比镀银玻璃,镜面铝价格昂贵,由于CPC的反射面都为曲面,这给镀银玻璃的使用带来了一定的限制,科研工作者一般是通过优化CPC反射面的方法或者是将反射玻璃冷弯或者热弯后使用。

2 CPC的设计参数对光学效率的影响

CPC的设计参数有接收半角,吸收体尺寸值,然后根据极端光线的光线等程原理进行设计的。采光面的大小我们这里用Aap表示,全CPC的几何聚光比Ct为采光面的大小除以吸收体的尺寸,特别的对于全CPC,几何聚光比Ct＝1/sinθa。

由于经过多次反射到达吸收体的光线通常出现在CPC采光面的顶端,所以该处能量损失较大,因此通常将顶端反射面截短一部分。

不同设计参数的CPC反射面的几何形状不一样,光线在不同入射角下求得的光学效率也不一样。由于光线在CPC内部的反射特别复杂,光线在其内部的反射更难找到规律,所以一般科研工作者都是通过光学模拟的方法去找出光线的光学效率,如图3所示,软件需要先建立CPC模型,然后设置好光源。

通过光学模拟我们可以得到不同模型的CPC在不同投影入射角下的光学效率,图1为接收半角为35.5°的全CPC在不同镜面反射率下的光学效率,图2为截短后的CPC,截短后的几何聚光比为1.6。

图1 接收半角为35.5°的全CPC在不同反射率和投影入射角下的光学效率

图2 接收半角为35.5°的截短CPC、几何聚光比C t＝1.6在不同反射率和投影入射角下的光学效率

之所以在不同投影入射角下的光学效率不同,是因为不同位置的光线在往往是经过不同的反射次数到达吸收体,每反射一次都会有相应的能量损失。

图3 接收半角35.5°的全CPC在不同投影入射角下经过不同反射次数到达吸收体的占有量

图4 接收半角35.5°的截短CPC、几何聚光比C t＝1.6不同投影入射角下经过不同反射次数到达吸收体的占有量

编程计算可得不同反射次数的占有量,如图3和图4所示,由图可知光线经过四次及以上反射到达吸收体的占有量是非常小的,特别的对于截短后的CPC,该值更小,这也证明了通过截短CPC顶端的反射面可以有效减少多次反射的发生。

结论与展望：

文章分析了影响CPC光学效率的两个因素,影响最大的是CPC反射面的反射率,在选用反射材料时,尽量选用反射率0.9以上的材料,以减少能量损失;不同设计参数的CPC的光学效率不一样,主要是由于采光面上的光线需要经过不同的反射次数到达吸收体造成的,工程上一般将CPC的顶端反射面进行裁剪,以减少多次反射的发生次数。

为了计算不同入射角、不同CPC模型的光学效率,我们需要进行大量的模拟工作,工作量很大而且繁琐,后面考虑设计一个计算程序,设定好光源,将光源分成若干份,逐一计算每根光线的反射次数,达到和光学模拟同样的效果。

索 引：

[1] A.Rabl,Active solar collectors and their applications.Oxford：Oxford University Press;1985.

[2] R.Winston,Principles of solar concentrators of a novel design,Sol.Energy.16(1974)89-95,https：//doi.org/10.1016/0038－092X(74)90004－8.