線性菲涅耳集熱器的光學效率分析

■ 徐眾 劉黔 鄒敏 黃平 吳恩輝 李軍 侯靜

（1.攀枝花學院生物與化學工程學院；2.四川省太陽能技術集成及應用推廣實驗室；3.攀枝花學院釩鈦中心）

0 引言

近幾年太陽能聚光發電在世界上備受矚目，以槽式、碟式和塔式聚光的發展最為迅速。但是還有一種線性菲涅耳聚光集熱器因為效率低而被忽視。使用幾條平的或略帶彎曲的鏡子將太陽光直接反射到接收器上對介質進行加熱的一種簡易裝置就稱之為線性菲涅耳聚光集熱器。和槽式聚光器相比，線性菲涅耳聚光器具有結構簡單、低風載、接收器固定和土地利用率高等優點，雖然效率低，但是成本卻大大降低[1]，近年來已在一些大型太陽能熱發電中得到示范應用[2-5]。國內有部分學者對線性菲涅耳集熱器的跟蹤[6]、鏡場輻射量[7]和鏡場遮擋[8]問題進行了詳細的研究，但是關于線性菲涅耳集熱器光學效率的研究較少，文獻[9]對影響槽式聚光器效率的因素(反射鏡的光學損失、接收器的光學損失、接收器的熱損、集熱器遮擋、集熱器端部損失、入射角損失和管道損失)進行了詳細分析。文獻[10]通過大量的模擬研究得出線性菲涅耳聚光集熱器的端部損失變化規律。本文通過建模的方式對小型線性菲涅耳集熱器的光學效率進行模擬研究，并與槽式聚光器進行對比，然后對影響集熱器光學效率的相關因素進行詳細分析，提出相應的措施對集熱器進行優化，提高集熱器光學效率。

1 實驗儀器介紹及其安裝

1.1 實驗設備介紹

實驗使用的反射器有兩部分：一部分為初級反射鏡。反射鏡場的長和寬分別為600 cm和295 cm，分為6個長方形塊，每個長方形塊又由48塊長和寬分別為50 cm和10 cm的小鏡元組成，并且在6塊反光鏡的端部安裝太陽能跟蹤器，組成一個完整的初級反射鏡場。另外一部分為次級反射鏡，由兩塊圓弧半徑為7 cm的鋁合金擠壓而成，其光口寬度為18 cm。集熱裝置采用華園新能源公司生產的用于太陽能中高溫發電的PTIII型太陽能直通管。

1.2 實驗設備安裝

實驗設備安裝采用南北向放置、東西向跟蹤。6個反光鏡組對稱分布在集熱元件的東西兩邊。

到達槽式聚光和一些帶有腔體吸收器的線性菲涅耳聚光集熱器吸收體表面的光線主要集中于吸收體的下表面，而上表面幾乎無光線到達，如圖1a、圖1b所示。本文設計的線性菲涅耳集熱器選擇在吸收體上方1 cm處安裝兩塊圓弧狀次級反射鏡，這樣可使到達接收器上下表面的光線分布更均勻，傳熱傳質更穩定，如圖1c所示。圖1b和圖1c是對圖1a的一種改良，而這種改良熱效率雖然降低，但是成本也隨之降低，更適合于小型工業應用推廣。

圖1 3種聚光器的光路簡圖

圖2 實驗設備安裝簡圖

實驗設備安裝簡圖如圖2所示。其中l為二次反射鏡的開口度，它由主鏡場的半寬w、接收體距離鏡場中心的高度h和接收體的外半徑r決定，其關系式為：[11]

本文使用的吸熱管的半徑、鏡場的半寬和吸收體距離鏡場中心的高度分別為7 cm、127.25 cm、150 cm，將其帶入式(1)可得到實驗時使用的二次反射鏡開口度的大小。

2 系統光學效率

2.1 影響光學效率的主要因素

反射鏡的光學損失和接收器的光學損失是影響系統光學效率的兩個重要因素，而入射角損失和端部損失同樣也會對光學效率產生一定影響。造成反射鏡損失的主要因素有：跟蹤精度取決于跟蹤系統和轉動裝置[11]；幾何精度由反射鏡的結構和形狀決定；反射率和反射誤差主要由反射鏡的材料、反射鏡的潔凈度和灰塵等因素決定。而接收器的光學損失取決因素為：集熱元件的潔凈度、密封頭的損失、選擇性吸收涂層的吸收率、灰塵的覆蓋、密封頭的遮擋和涂層的老化等。

通過TracePro6.0模擬可知，入射角余弦、遮陰、阻擋、端部損失、反射鏡材料(反射率、透過率和吸收率)的變化都會對光學效率產生影響。并且得出幾個特殊規律：1)光學效率會隨著鏡元的焦距和接收器長度的增加而增加，只是增加的速率在不斷減小；2)光學效率會隨著鏡場布置方向與南北線夾角、鏡元的幾何誤差和跟蹤時間間隔的增大而減小，并且減小的速率不斷增大；3)在相同條件下采用圓弧形二次反射鏡比采用梯形反射鏡的光學效率高。

2.2 光學效率對比分析

線性菲涅耳集熱器的光學效率η0可定義為集熱器接收的太陽輻射與太陽直接輻射和反射鏡開口度乘積的比值。由于二次線性菲涅耳集熱器的反射比較復雜，測量比較困難，因此本文采用光線追跡來獲得吸收體接收或吸收的能量。實驗使用的初級反射鏡的反射率為0.92，次級反射鏡的反射率為0.95，吸收體外部使用的是高硼硅玻璃透過率0.95，接收器使用的選擇性吸收涂層的吸收率為0.94；文獻[11]中使用的初級反射鏡的反射率為0.94，吸收體外部使用的玻璃罩的透過率為0.95，接收器的吸收率為0.95。

本次模擬得到的光學效率與文獻[11]中的效率對比如圖3所示。從圖3可知，此次模擬得到的光學效率其變化趨勢大體與文獻一致，但是效率值比文獻中的線性菲涅耳集熱器以及普通槽式聚光集熱器的低。從材料對比來看，反射率、吸收率和透過率基本一致，不會對光學效率產生如此之大的影響。從實際情況來看，影響光學效率下降的因素主要有：1)實驗裝置安裝在城市的中心，初級反射鏡污染嚴重，反射鏡效率低；2)固定接收器的支架會對跟蹤器產生遮擋導致跟蹤不精確，影響系統的光學效率，此次實驗使用的跟蹤器安裝方式和文獻[12]相一致；3)二次反射鏡的開口度和反射率；4)反射光線的偏移量，簡稱集熱器端部損失。

圖3 光學效率對比分析

此次實驗得到的系統平均熱效率為35.3%，與同類線性菲涅耳集熱器的43.5%、槽式聚光集熱器的51.3%[11]對比可看出：實驗使用的集熱器熱效率偏低，還有待提高。而影響集熱器熱效率偏低的重要因素之一就是光學效率，因此還需要對集熱器進行改良，提高其光學效率。

2.3 入射角修正系數對比分析

入射角修正系數是衡量入射角損失的一個標準。入射角損失就是當入射光線通過反射鏡后反射光線與理想鏡面反射光線存在的一定偏差，當反射鏡的構造較復雜時反射光線的偏差就會更大。入射角損失會對集熱器的光學效率產生影響，所以本文也對入射角修正系數進行了模擬分析，并且對其進行線性擬合，得出入射角修正系數與入射角之間的關系如式(2)：

圖4 入射角修正系數對比

從圖4可知，模擬得出的曲線沒有規律可循，而擬合后變化規律就比較清晰。擬合后的曲線和文獻[9]中的曲線變化規律相似，說明此次擬合是可行的。但還存在一定偏差，主要因為文獻中使用的是槽式聚光器，其反射鏡構造比較復雜，入射角修正系數也就相對較大。從圖中還可看出，本文所使用的反射鏡入射角修正系數隨著入射角的增大而快速減小，這會對集熱器光學效率提升產生一定的干擾。

在以后的計算中，如果使用入射角修正系數，可采用本文所擬合的公式進行計算，在滿足實驗需求的基礎上不需做過多調整。

2.4 端部損失分析

反射光線偏移造成的損失稱之為端部損失，正午時刻的端部損失可由式(3)計算[10]：

式中：d為鏡元中心到鏡場中心的距離；h為吸收體到鏡場中心的距離；φ為當地地理緯度；n為一年當中的天數；δ為赤緯角。可使用Cooper公式計算[13]：

從圖5可看出端部損失隨時間延長而增大，這就是菲涅耳線性聚光集熱器只是從長處延伸而不從寬處擴展的原因。6月份時(夏至)端部損失達到最小值，幾乎為零；在1月和12月時(冬至)達到最大值，端部損失約達33%，此時相當于其中一根真空管完全失去作用。

圖5 時間對集熱器端部損失的影響

3 結論

由于線性菲涅耳聚光集熱器的效率不高，所以本文對其中的一個重要影響因素(光學效率)進行了模擬分析，最終尋找到一些改良之法。具體改良方式如下：

1)在線性菲涅耳集熱器主鏡場的中心軸上安裝兩個噴頭對鏡場進行清洗，保持鏡面潔凈。

2)將支撐接收器的支架向鏡場外部移動一定距離，使其陰影遮擋不到跟蹤器，還可使用其他的跟蹤系統[6]。

3)吸收體端口使用金屬盤管連接會對光利用產生一定影響，因此應盡量縮短接金屬盤管的長度。

4)對比發現，本文使用的反射鏡所產生的入射角損失系數比槽式聚光集熱器的小，因此入射角損失相對較大，從而必須進一步提高鏡場的幾何精度，減小入射角損失，提高光學效率。

5)實驗時接收器也安裝了跟蹤系統，這樣雖然可減小端部損失，但是接收器的位移會帶來高溫高壓的管路密封與連接問題。在以后實驗中可固定接收器，增加鏡場長度來減小端部損失。

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