滑移式线性菲涅尔太阳能集热器的设计及实验研究

2019-10-19卢梓健胡艳鑫陈友鹏

广东工业大学学报 2019年5期

卢梓健，黄金,2，胡艳鑫，王海，陈友鹏

（1. 广东工业大学材料与能源学院, 广东广州 510006；2. 肇庆学院环境与化学工程学院, 广东肇庆 526061）

太阳能因其绿色环保、取之不尽用之不竭的特点，而成为世界各国争相开发利用的可再生能源之一[1-3]. 为了满足用户对中高温太阳能集热利用的需求，多种类型的聚光性集热器被设计、研究. 其中，线性集热器因其聚光光斑均匀度好、聚光效果好等优点而得到广泛应用. 目前使用较为广泛的太阳能线性集热器有抛物槽式集热器、反射式菲涅尔集热器、透射式菲涅尔集热器等.

对于抛物槽式集热器，常泽辉等[4]提出一种槽式复合多曲面太阳能聚光集热器，并对其进行光学仿真计算和实验测试研究，当跟踪误差为5°时，其光线接受率达到82.26%，当跟踪误差为10°且集热器中导热油流速为100 kg/h时，装置集热效率最高可达65.04%；王志敏等[5]以倒梯形腔体接收器为集热器的双轴槽式太阳能聚光集热系统为研究对象，通过实验测试和归一化温差的方法，对该系统不同接收位置下的集热性能以及不同流量工况下的瞬时集热效率进行测试，得到600，700，800，900 L/h 4种流量工况下对应最大集热效率分别为53.3%，67.6%，72.0%，81.7%.

对于反射式菲涅尔集热器，赵晓凯等[6]提出基于线性菲涅尔反射镜的二次反射塔式太阳集热器的设计原理，搭建基于线性菲涅尔反射镜的二次反射塔式集热系统实验台，当工质入口温度为110 ℃时，集热效率为51.6%；周凌宇等[7]通过理论与实验的方法，对一种采用方形腔体吸收器的反射式线性菲涅尔太阳能集热器的集热性能进行研究，得出该集热器的光学效率为78.6%，最高集热温度为180 ℃，在集热温度80～150 ℃的范围内，集热效率从52.3%变化到36.2%.

上述抛物槽式集热器及反射式菲涅尔集热器的成本较高、聚光效果不明显，而透射式菲涅尔集热器具有成本低、聚光效果良好等优点，因而被更多地进行应用研究. 郑宏飞等[8]介绍了一种利用圆柱面菲涅耳镜组成的太阳能集热系统，实验测试结果表明，在集热温度小于100 ℃，中午10：00～14：00时间段时，该系统的集热效率可以达到近60%，午后14：00～15：00时段，效率可以达到近38%. Xie等[9]研究和比较了使用不同腔体接收器的线聚焦菲涅耳透镜太阳能集热器，经过优化后，三角形空腔接收器的热迁移因子分别增加到0.879(使用矩形管道作为吸收板)和0.873(使用管束作为吸收板).

上述透射式菲涅尔集热器虽然集热效率较高，但跟踪方式复杂，维护成本较高. 因此，结合上述聚光集热器的优缺点，本文设计了一种结构简单、易于调节、安全可靠的透射滑移式线性菲涅尔太阳能集热器. 本文对此集热器进行了结构设计，对其工作原理进行阐述，并对此集热器进行聚光光斑模拟及实验分析.

1 滑移式线性菲涅尔集热器的设计及工作原理

本文选取线聚焦菲涅尔透镜应用于滑移式线性菲涅尔集热器中. 线聚焦菲涅尔透镜具有制造方便、重量轻、成本低、厚度薄、聚光效果好等优点，广泛地应用在各种领域，尤其是太阳能聚光热利用[10].

图1为线聚焦菲涅尔透镜的光学原理图. 从剖面看，其表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线. 每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦线，即线聚焦菲涅尔透镜的焦线[8]. 但是在实际太阳光照射聚光过程中，并非形成理想情况的线，而是在线聚焦菲涅尔透镜焦线位置处形成具有一定宽度的线带光斑. 要明晰太阳全年运行规律，其中既包含日运行的太阳时角变化规律，也包含全年的太阳赤纬角变化规律[11-16].

图 1 线聚焦菲涅尔透镜的光学原理图Fig.1 Optical schematic diagram of line-focused Fresnel lens

图2 为复合抛物面集热器(compound parabolic collector，CPC)的结构设计示意图. 复合抛物面集热器是一种理想非成像集热器，它根据边缘光线原理设计，对接收角范围内的入射光线具有光陷阱作用.此复合抛物面集热器根据以下步骤绘制：

(1) 以真空集热管的玻璃内径为基圆，基圆中心为O，以CPC水平方向为X轴，竖直方向为Y轴，构建二维X−Y直角坐标系;

(2) 根据式(1)绘制基圆的渐开线l：

式(1)中，r为基圆半径，t为参数，t=0 ∼2π.

(3) 将渐开线A绕圆心O顺时针旋转角度θ：

其中，θmax为复合抛物面集热器的最大接收角.

图 2 复合抛物面集热器结构设计示意图Fig.2 Structural design sketch of compound parabolic collector

(4) 沿CPC对称轴绘制另一渐开线B，令渐开线A末端点为点A，渐开线B末端点为点B，渐开线A与渐开线B相交于点H. 作基圆切线AD，使线段AD与基圆相切于点D. 作对称轴AC与CPC对称轴交于点C，使以AC为对称轴、A为焦点、C为顶点作抛物线A，且使抛物线A恰好交渐开线B于点B，且与线段AD的延长线交于点F. 同理，作基圆切线BE，使线段BE与基圆相切于点E. 作对称轴BC与CPC对称轴交于点C，使以BC为对称轴、B为焦点、C为顶点作抛物线B，且使抛物线B恰好交渐开线A与点A，且与线段BE延长线交于点G.

(5) 截取弧线GAHBF即为CPC反光面曲线.

图3为滑移式线性菲涅尔集热器结构图. 该滑移式线性菲涅尔集热器包括线聚焦菲涅尔透镜、导杆支座、导杆、导杆滑套、真空集热管、真空集热管支架、复合抛物面集热器、型铝铝材、反光镜、导杆底座和扇形连接板等等. 该滑移式线性菲涅尔集热器在其长度方向上按照东西方向摆放，线聚焦菲涅尔透镜朝向南北方向，安装倾角按照当地的纬度位置决定：

其中，α 为线聚焦菲涅尔透镜的安装倾角；ϕ 为当地的纬度.

图 3 滑移式线性菲涅尔集热器结构图Fig.3 Structural diagram of slip linear Fresnel collector

其工作原理为：当太阳按照一天变化时，光线通过线聚焦菲涅尔透镜折射成焦线，焦线光斑主要向东西方向偏移，偏移出真空集热管的一部分光线照射在反光镜上，通过反光镜和CPC反射回真空集热管上；当太阳随纬度发生季节性变化时，焦线向南北方向偏移，当偏移出CPC的开口大小时，通过导杆和导杆滑套进行手动滑移，调整线聚焦菲涅尔透镜的位置，使焦线光斑照射在CPC内，通过CPC反射回真空集热管上. 滑移调节时间按照当地具体的地理位置、CPC的最大接收角及开口大小确定.

2 实验结果及分析

2.1 集热器实验平台介绍

为了验证滑移式线性菲涅尔太阳能聚光集热器的可靠性，在坐标(113°17′E，23°08′N)搭建了聚光实验平台，如图4所示. 实验平台包括线性菲涅尔集热器、低温恒温水槽、安捷伦测温数据采集仪、数据采集系统和太阳直射辐照仪等. 该集热器采用3块400 mm×320 mm×2 mm、焦距为600 mm的线聚焦菲涅尔透镜及长度为1 200 mm，外径47 mm，内径37 mm的真空集热管等组成，且真空集热管中心位于线聚焦菲涅尔透镜的焦距上. 将真空集热管的内径代入式(1)中，根据模拟角度设定CPC最大接收角为θmax=100°，设计并制造出CPC的开口大小为261 mm，高度为265 mm，长度为1 100 mm，并在其内侧表面处贴上反射率为0.85的反光膜. 反光镜采用反射率为0.85的镜面铝板，安装在集热器两侧. 根据式(3)可得该集热器的安装倾角α为23.13°，通过扇形连接板调整导杆的安装倾角，即可调整线聚焦菲涅尔透镜的安装倾角，且透镜方向朝向南方.

图 4 滑移式线性菲涅尔集热器实验平台Fig.4 Experimental platform of slip linear Fresnel collector

2.2 集热器实验结果及分析

为了凸显有无滑移装置的集热器的集热效率差别，实验中以菲涅尔透镜处于导杆正中位置作为基准位置. 在实验日期为2018年11月29日和30日(太阳赤纬角−21°)，真太阳时10：00～14：00进行聚光集热实验，实验地点为广州大学城. 将集热器按东西方向放置，进行有滑移(根据焦线光斑位置变化滑移菲涅尔透镜的位置)和无滑移(菲涅尔透镜仍位于基准位置)时，集热器的集热性能研究. 实验通过太阳直射辐照仪测量实验过程中太阳光直射辐照度的变化情况. 集热系统的传热工质为水，设置低温恒温水槽的温度，使集热器真空集热管的入口温度为25 ℃，采用T型热电偶测量真空集热管入口温度和出口温度，并通过安捷伦Agilent34970A型数据采集仪进行数据采集，采集时间间隔为5 min. 调节连接在管道上转子流量计的流量读数，使流过真空集热管的水流量恒为60 L/h. 太阳直射辐照度、真空集热管的进口温度及出口温度随时间的变化情况如图5所示.

图 5 太阳直射辐照度、进口温度及出口温度变化图Fig.5 Changes of solar irradiance, inlet and outlet temperatures

从图5(a)中可以看出，在真太阳时10：00～13：00时，太阳直射辐照度基本维持在700～750 W/m2，在真太阳时13：00后稍有下降. 集热器进口温度基本维持在25 ℃左右，出口温度先随真太阳时的变化逐渐升高，在12：30左右达到最大温度28.77 ℃，然后逐渐下降. 从图5(b)中可以看出，在真太阳时10：00～14：00时，太阳直射辐照度基本维持在700 W/m2左右.集热器进口温度基本维持在25 ℃左右，出口温度先随真太阳时的变化稍微升高，然后逐渐下降，进出口温差变化不大.

集热系统的集热效率计算式为

式(4)中，Cp为水的比热容，Cp=4.2 kJ/(kg·℃)；ρ为水的密度，ρ=1 kg/L；v为水的流量，v=60 L/h；Ti、To分别为集热器进、出口温度，℃；I为太阳直射辐照度，W/m2；S为集热器采光面积，S=0.384 m2.

通过以上参数并结合式(4)，可计算出集热系统的集热效率，如图6所示. 从图6中可以看出，有滑移时，集热器在系统稳定后，即在真太阳时10：30～12：00时，集热器的集热效率随着太阳入射倾角的减小及气温的上升而逐渐增大，最大集热效率为27.89%；在12：00后，由于太阳入射倾角的增加，太阳光经汇聚后能被真空管接收到的能量逐渐减少，导致工质得到的热能随之下降，结果表现为集热器进出口温差降低，集热效率降低. 集热器无滑移时，集热器的集热效率无明显变化，这是由于无滑移时，太阳赤纬角过大，光线入射角大，使透过菲涅尔透镜形成的焦线无法汇聚在CPC以及真空集热管上，因此集热效率低下. 集热器在有滑移时的平均集热效率为22.90%，而无滑移时的平均集热效率仅为6.40%，因此集热器在有滑移时展现出更为优异的集热效率，集热效果显著.

图 6 集热器有无滑移装置的集热效率变化图Fig.6 The heat collecting efficiency change diagram of the collector with or without the slip device

3 集热器光斑模拟分析

3.1 模拟软件及模拟方法

基于蒙特卡罗法的非序列光线追迹技术[17]，TracePro具有处理复杂几何问题的能力，可定义和追踪数百万条光线，它以实体对象来构建光路系统，并通过计算反射、折射、吸收和衍射等行为来模拟光线与实体表面的作用，能够对真实场景进行计算和显示.

为了验证本文所设计的滑移式线性菲涅尔集热器的可靠性，以下采用TracePro光学模拟软件对集热器进行聚光光斑模拟分析.

根据上述滑移式线性菲涅尔集热器结构设计三维模型，选取集热器在太阳一年运行过程中的典型位置进行光路模拟，确定位于真空集热管玻璃表面处的光斑变化情况. 其中，光源模拟太阳光光谱，波长从0.74～1.642 μm，各波长的权重以NASA太阳光谱与材料参数为标准，辐射值设定为700 W/m2. 设置菲涅尔透镜面积为0.384 m2，安装倾角为23.13°，反射镜及CPC材料的反射率为0.85. 太阳典型位置对应一天真太阳时为10：00至14：00，间隔为半小时的聚光光斑情况进行光路模拟.

3.2 一天模拟结果及分析

集热器无滑移时规律不明显，因此仅对有滑移时进行模拟分析. 按照上述步骤，在有滑移时，集热器的真空集热管表面处的光斑变化情况部分辐照图如图7所示，太阳赤纬角为−21°. 其中X轴表示东西方向，朝东为负，朝西为正，Y轴表示南北方向，朝南为正，朝北为负，且以不同颜色标识聚光光斑的能流密度值.

图 7 太阳赤纬角为-21°时聚光光斑分布辐照图Fig.7 Irradiation diagram of concentrated spot distribution when the solar declination angle is -21°

由图7可知，当真太阳时从10：00至14：00，太阳位置自东向西转动，因此聚光光斑整体自西向东移动. 当真太阳时为10：00时，聚光光斑位于真空集热管西侧，光线部分通过反光镜反射回来. 当真太阳时为11：00时，聚光光斑整体略微偏西，由于小部分偏移的光线被反射回来，因此可以看出在西侧位置处存在能流密度较强的光斑. 当真太阳时为12：00时，太阳正对着线性菲涅尔透镜，太阳光垂直照射，聚光光斑整体无偏移，成线性且均匀地照射在真空集热管上. 同理，当真太阳时为13：00和14：00时，聚光光斑整体位于东侧，部分偏移光线被反射回来. 根据太阳赤纬角为−21°时集热器光斑总光通量变化情况及计算后的光学效率变化数据，绘制成图8.

图 8 太阳赤纬角为-21°时集热器总光通量及光学效率变化图Fig.8 Variation of total luminous flux and optical efficiency of the collector when the solar declination angle is -21°

从图8中可以看出，在太阳赤纬角为−21°时，集热器光斑的总光通量随着真太阳时的变化，呈现先增大后减少的对称分布规律变化. 集热器平均总光通量为124.56 W，其中，当真太阳时为12：00时，真空集热管表面处达到最大总光通量141.37 W. 集热器的光学效率也呈现先增大后减少的对称分布规律变化，平均光学效率为46.34%. 其中，当真太阳时为12：00时，最大光学效率达到52.59%.

造成上述现象的主要原因是随着真太阳时的变化，太阳光照射到菲涅尔透镜的入射角发生变化，透过线性菲涅尔透镜的光线的折射角也发生变化，导致聚光光斑发生规律性偏移，使得集热器的光学效率呈现近抛物线的对称分布变化规律.

真空管传热过程是从内玻璃管内壁面经内玻璃管、真空夹层、外玻璃管到达环境空气的过程，具体过程涉及到了导热、辐射、对流以及稀薄气体传热等各种形式，而且各种传热形式相互耦合[18]. 因此，集热器的集热效率与集热器的光学效率之间可以用式(5)进行转换：

其中，η集热器的集热效率；u1，u2，u3，u4，u5分别为从水到玻璃、从内管内壁到内管外壁、从内管外壁到外管内壁、从外管内壁到外管外壁、从外管外壁到大气的光热损失系数；δ为集热器的光学效率.

为验证模拟结果的准确性，根据式(5)作出集热器系统的实验数据与模拟结果取不同光热损失系数时的等效集热效率对比图，如图9所示. 从图9对比实验数据曲线和模拟结果曲线可以发现，两曲线基本呈现先增大后减少的抛物线对称分布的规律. 但在真太阳时12：00前，早上的实际太阳辐照度略低于模拟采用的700 W/m2，且集热器系统处于从环境温度升温至实际工作温度的非稳态工况，因此实验数据略低于模拟结果；而在真太阳时12：00后，集热器工作稳定，实验数据与光热损失系数均取0.88时的模拟结果较为一致，由此表明模拟结果准确可靠. 其中，当光热损失系数均取0.88时，平均等效集热效率为24.45%，最大等效集热效率为27.75%.

图 9 集热器集热效率实验数据及模拟结果对比图Fig.9 Comparison of experimental data and simulation results of collector heat collection efficiency

3.3 全年模拟结果及分析

基于上述结果进一步对上述滑移式线性菲涅尔集热器进行光斑模拟分析，对集热器在太阳1 a运行过程中的典型位置进行光路模拟，在相同条件下，分别模拟集热器在有滑移和无滑移时，集热器真空集热管表面处的光斑变化情况. 太阳典型位置分别取太阳赤纬角为+23°26′、+11°43′、0°、−11°43′、−23°26′，对应1 d真太阳时为10：00至14：00，间隔为半小时的聚光光斑情况进行光路模拟.

3.3.1 有滑移时模拟结果分析

按照上述步骤，对有滑移时集热器全年光斑变化情况进行模拟，结果如图10所示. 从图10中可以看出，集热器在有滑移时，全年的集热效率呈现先增大后减少的抛物线对称分布规律变化，集热器全年平均集热效率为27.11%. 当太阳赤纬角为0°、真太阳时为12：00时，集热器达到最大集热效率37.20%.

图 10 有滑移时集热器全年集热效率变化情况Fig.10 Change of heat collecting efficiency of the collector during the whole year with slip

3.3.2 无滑移时模拟结果分析

同理，对无滑移时集热器全年光斑变化情况进行模拟，结果如图11所示. 从图11中可以看出，集热器太阳赤纬角为0°时，集热效率呈现先增大后减少的对称分布规律变化，但在其他太阳赤纬角位置时，集热效率较低且基本变化不大. 其中，当太阳赤纬角为0°、真太阳时为12：00时，集热器达到最大集热效率37.20%. 集热器全年平均集热效率为9.80%.

造成上述现象的主要原因是当太阳光入射角发生变化时，经过线性菲涅尔透镜的光线的折射角也发生变化，聚光光斑发生偏移. 当入射角过大使光斑偏移超出CPC的最大开口位置及反光镜面时，光斑不能反射回真空集热管上，造成集热器的集热效率低下.

图 11 无滑移时集热器全年集热效率变化情况Fig.11 Change of heat collecting efficiency of the collector during the whole year without slip

从上述全年集热器集热效率变化情况图10、图11中可以看出，滑移式线性菲涅尔集热器在太阳赤纬角为0°时，有滑移和无滑移时的集热效率是一致的. 但随着太阳赤纬角及真太阳时的变化时，有滑移时集热器的全年平均集热效率明显高于无滑移时的全年平均集热效率. 因此该滑移式线性菲涅尔集热器在有滑移时比无滑移时所收集到的太阳能效率更高，效果更好.