一种新型太阳能集热装置

杨旭洁 何厚桦 胡鸿伟

摘要：设计了一种新型的太阳能集热装置，采用水透镜对光线进行聚集，利用黑体管集热器收集利用热能，装置结构简单，具有高效率，易于维护。

关键词：太阳能;聚光集热;水透镜;黑体管;节能减排

太阳能作为一种清洁可再生能源受到广泛关注，太阳能热利用技术也迅速发展。一滴水就能引起一场深林大火，受到这个启发，我们设计一种柱状水透镜完成折射式线聚光。进入人工黑体的光线将无法逃出，我们也希望集热器能做到这一点，由此设计出一种黑体集热管来吸收聚集的光线。为了突破现行槽式聚光集热技术的局限，设计了一种新型太阳能聚光集热装置。

该装置由聚光部分和集热部分组成。在聚光部分，利用透镜聚光原理，设计了一种以玻璃为壳体，在玻璃中注水的新型透镜。与传统抛物形反射面相比，水透镜价格便宜、易于制造，通过换水可达到完全翻新的效果，从根本上解决了抛物形反射面易老化的問题。

集热部分则利用人工黑体原理设计了一种高效的黑体集热管。太阳光经过透镜汇聚后经集热管上的细缝射入黑体管内，被反复反射吸收，光能转化为热能来加热工质。和传统真空集热管相比，黑体管辐射损失小，效率高，工艺简单，寿命长。

相比于目前的槽式热发电技术，该装置结构简单、成本低，在运输、安装和后期维护上都有优势。我们创新性地提出了高效低成本的水透镜方案，并设计了新型黑体集热管。该装置可用于大规模太阳能集热发电、光伏发电、海水淡化等诸多领域，前景广阔。

黑体集热管利用人工黑体原理，将集热管做成马蹄形空腔管，这样进入空腔内的高能量密度的光线只有很小的一部分通过缺口辐射出去。为了减小损失，可在空腔内表面涂吸收涂层，在空腔管外表面包覆良好的隔热层。而在太阳能聚集过后，可形成高能密度的光带，正好可使用黑体集热管来收集。

1、集热管温度场模拟

为了进一步对集热管的设计进行优化，我们采用fluent软件对黑体集热管的温度场分布进行了模拟。模拟所用黑体管结构尺寸为：内径30mm，外径50mm，保温层外径100mm，开口角度θ1=30°，长度为1m。

计算方法：采用层流模型（Laminar）计算气液两相流动传热，采用DO模型计算辐射传热，求解环境是基于压力、3D、稳态，忽略重力影响，求解器采用默认设置（SIMPLE、standard、一阶迎风）收敛标准各余项小于0.001，energy和do-intensity两项残差小于10-6。

边界条件设置：水进口温度为300k，速度0.004m/s;内腔在水进口处温度为300k，在水出口处的温度按计算结果设定（500k）;保温层厚度为0.025m，热导率为0.03w/m·k;通过半透明体（玻璃层）进入内腔的热流密度设为133333w/m2，玻璃层厚度为0.002m。

计算结果：

该模拟结果可以给我们提供改良黑体管方向，为了使温度分布更均匀，可以采取如下措施：加强正对开口处管壁的吸热涂层，增加其吸收率，减少其发射率;将内腔中央底部表面改为凸表面，如劈尖状，可减小该表面对开口的角系数;增大最高温度区域壁面粗糙度，使光线能向各个方向反射，受热更均匀。

参考文献：

[1]张以谟，《应用光学》，电子工业出版社，2008

[2]刘钧，《光学设计》，西安电子科技大学出版社，2006

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[4]安翠翠，欧传奇 抛物面槽式集热器性能影响因素的fluent模拟研究，2008

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