Gangza太阳能均匀聚光集热器聚光性能仿真分析

曹 飞，庞嘉睿，王苗苗，邱嘉玲，孙 立，白建波

(河海大学机电工程学院，江苏 常州 213022)

由于能源形势日益紧张，太阳能作为一种清洁的可持续能源在我国能源战略中已然占据重要地位。聚光太阳能热利用是一种有效，可行的太阳能利用方法，近年来，聚光太阳能热利用在我国发展迅速，2016年8月，我国第一座商业化应用的20 MW太阳能光热发电站成功并网发电。2022年1月，上海电气联合体总承包建设的迪拜600 MW槽式光热发电项目安装完成6 360个集热器。聚光太阳能热利用的主要部件为太阳能聚光器。目前，太阳能聚光器在我国的光伏发电，光热发电，光催化等领域均有应用。太阳能聚光器由反射镜、接收体和支架组成。常见的太阳能聚光器，如：CPC，PTC，普遍存在热流分布不均匀的问题。杨艳等设计了一种均匀聚光器(SUC)用于光催化制氢系统，并使用光学模拟软件对其光学性能进行了评价[1]。这种聚光器能够实现较为均匀的热流分布，适合应用于聚光太阳能热利用[2]。Zheng 等研究了一种新型多腔槽式集热器系统，使得外表面和流体之间的传热更高效[3]。Wang 等提出了一种新型V 形 CPC聚光器，研究了相对聚光比和间隙效率的关系[4]。Serrano-Aguilera 等利用逆蒙特卡罗光线追踪法(IMCRT)根据吸收器表面所需的辐射分布计算出了反射器形状[5-6]。但是，尚无对SUC聚光器吸热管上光线分布策略的研究。本文研究均匀聚光器(SUC)吸热管表面的能流分布特性。首先，根据目标能流密度得到对应的光源特性；而后，利用TracePro软件进行模拟，得到吸热管表面的实际能流密度；最后，对比分析目标能流密度与实际能流密度。

1 模型建立与方法描述

1.1 均匀聚光器的模型

均匀聚光器(SUC)是由反射镜、吸热管和支架组成的，如图1所示。在此数学模型中，反射面几何结构由三个初始变量所决定，即：吸热管半径b、底部间距BI以及几何聚光比C。基本参数如表1所示。

图1 均匀聚光器几何结构图

表1 SUC模型结构参数

1.2 基本假设

(1)表面光源的开口宽度和长度与模型相同，不考虑太阳光的光锥角。

(2)仅对模型进行直射辐射模拟，不考虑散射辐射占比。

(3)反射镜表面反射率ρ= 1；吸热管表面吸收率α= 1。

1.3 蒙特卡洛光线追踪法

蒙特卡洛(monte carlo, 简称MC)方法, 又称随机抽样方法,是一种以概率统计理论为基础的数值统计方法，属于试验数学的一个分支。该方法的基本思想是使用随机数进行统计实验，以该事件出现的频率作为该随机事件的概率，并将其作为问题的解。将蒙特卡洛法应用在光线追踪中，即为蒙特卡洛光线追踪法(monte carlo ray trace method, 简称MCRT)。该思想是指，进入系统的太阳光辐射由大量光线组成，每束光所具有的能量和发射角度是确定的；光线与系统表面发生吸收、反射和透射等现象的随机性由概率模型确定。在计算中，跟踪记录每束光线直到被吸收或逸出系统。由此可以得知，聚光器光学效率受镜面反射比和吸热管吸收比等影响。

2 结果与分析

2.1 均匀聚光器聚光性能

将均匀、平行的光线竖直向下投射到均匀聚光器模型中，模拟均匀聚光器对真实太阳光的聚光效果，可以看到，光线被较为均匀地汇聚到吸热管表面，如图2所示。

图2 光线追迹图

2.2 边界条件设定

将图3中的线性递增热流密度分布模型导入吸热管表面，吸热管作为发光表面，光线垂直于吸热管表面发出。在均匀聚光器的顶部定义一个平板接收器。光线的路径为，从吸热管表面发出经 SUC反射镜面反射后到达平板接收器。同时接收器的大小与 SUC 反射镜面开口大小相同，平板的高度与反射面的纵向高度相同，以此来保证反射光线不会在接收器和反射面的缝隙中逸出。在接收管线性递增分布边界条件下，SUC聚光器光线模拟结果如图4所示。

图3 线性递增热流密度分布

图4 线性递增分布光线追迹图

2.3 局部光路分析

图5是放大了SUC聚光器底部的局部光线追迹图。由图4和图5可见，光束从圆管表面垂直发出，直接或经过一次、二次反射后到达平板接收器表面。由于光路是对称的，所以只对0°～180°，即吸热管左半部分发射出的光线的路径规律进行分析。

图5 局部光线追迹图

(1)0°～8°，由于光线入射角度较小，经底部平面反射镜反射后到达吸热管表面；

(2)8°～16°，光线经平面反射镜反射后，部分到达吸热管，另一部分到达平板接收器表面右半面；

(3)16°～24°，一部分光线经平面反射镜的一次反射到达接收器的右端，其余光线经平面和曲面的两次反射后到达接收器右端；

(4)24°～32°，部分光线经平面反射镜反射后到达吸热管表面，另一部分经曲面的两次反射后到达接收器右半面；

(5)32°～40°，光线经曲面反射面一次反射后，全部到达吸热管表面；

(6)40°～48°，光线部分经曲面反射一次到达接收器左半面，部分经曲面反射后到达吸热管表面；

(7)48°～160°，光线均被反射至接收器左侧区域，并不断向右移动；

(8)160°～180°，光线不再反射，而直接到达接收器表面。可以看出，接收器表面并不能接收到管表面发出的全部光线，由于吸热管的遮挡作用，管会拦截部分光线。

2.4 热流密度分布对比

经蒙特卡洛光线追踪得到平板接收器表面辐照度分布情况，如图6所示。由该图可见，水平接收器表面的辐照度在集热管长度方向上分布比较均匀。但是在宽度为±200 mm处存在两个峰值，分别为950 W/m2和550 W/m2左右。由于光路可逆，在没有光线损失的情况下，将得到的具有一定能流密度分布的平板接收器作为光源发出光线，吸热管表面应呈现原线性递增热流密度分布。将平板接收器上获得的光源特性作为输入光源，进行蒙特卡洛光线追踪，模拟光线在吸热管周向的能流分布。吸热管表面的实际热流密度分布与目标热流密度分布如图7所示。图7中的曲线C 是按照图2光线图情况，模拟真实均匀太阳光入射时吸热管周向的能流分布。可以看出，由均匀、平行的光线组成的光源得到的吸热管表面热流分布较为均匀；而在本文中由蒙特卡洛光线追踪法得到的光源得到的吸热管表面热流分布接近线性递增热流分布。

图6 线性递增分布接收器表面辐照度图

图7 热流密度分布对比图

3 结 论

本文针对一种均匀聚光器建立聚光器模型，采用蒙特卡洛光线追踪法，对该均匀聚光器进行了光学性能模拟，获得的主要结论有：

(1)以集热管为光源、线性增加的辐射分布为光源时，水平接收器表面的辐照度在集热管长度方向上分布比较均匀；在宽度为±200 mm处存在两个峰值，大小分别为950 W/m2和550 W/m2左右。

(2)以上述模拟获得的辐射分布为入射源，模拟集热管周向能流分布时，范围在50°～310°以及±16°～±24°，吸热管表面实际的热流分布与目标热流分布吻合性很好；在0°～±16°以及±24°～±50°，吸热管表面实际的热流分布与目标热流分布之间有较大差别。

(3)因为部分光线受吸热管遮挡影响，所以吸热管表面部分区域实际的热流分布与目标热流分布之间有较大差别。需要对此区间吸热管圆心角对应的反射器部分进行优化，才能得到与目标一致的热流密度分布。