一種可用于海水淡化的太陽能聚光器的設計

毛書哲 曾維友 陳偉 周小紅

摘要：太陽能作為一種可再生的清潔能源，越來越受到世界各國能源環(huán)境領域的重視。太陽能光熱聚光裝置是太陽能發(fā)電、太陽能工業(yè)供熱和民用供熱的關鍵。可用于海水淡化，緩解水資源和能源壓力，作為一種太陽能利用技術在未來具有廣闊的發(fā)展前景。

1 理論基礎

太陽能海水淡化過程主要由太陽能聚光器，吸熱器，冷凝裝置組成，聚光器的作用是將太陽能進行會聚，吸熱器的作用是光能轉換為熱能，冷凝裝置的作用是實現(xiàn)海水的淡化過程。在實際應用中，為了更好地利用太陽能，還要加入太陽跟蹤裝置及儲熱裝置，實驗裝置結構如圖1所示。

2.太陽能聚光器的設計

2.1：現(xiàn)有聚光器的不足

在現(xiàn)有太陽能聚光器設計中，存在的不足有：

（1）因為在碟式聚光器在追蹤太陽的過程中，是將發(fā)電機安放在焦點處的接受體上，在追蹤太陽時，發(fā)電機也會跟著一起轉動跟蹤，這樣就致使跟蹤系統(tǒng)的負載加重，不利于跟蹤系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和維護。

（2）在焦點出放置接受體，減少了受光面積，并且沒有儲熱裝置。

2.2聚光器的設計依據(jù)

（1）傳統(tǒng)的聚光器將光線聚集在焦點處，本設計利用兩次反射將太陽光線導向地面，這樣集熱器就可以安裝在地面，而且可以對熱能進行儲存。很好的解決了傳統(tǒng)碟式系統(tǒng)中因為沒有蓄熱系統(tǒng)而造成的運行不穩(wěn)定問題，也可降低光跟蹤系統(tǒng)的載重量而降低系統(tǒng)的建造和維護成本。

（2）本項目采用透鏡聚焦，用二次反射鏡將太陽光線初步會聚和反射回地面，通過透鏡聚焦后，聚光比將比傳統(tǒng)的菲涅爾系統(tǒng)有很大的提升。同時，二次反射鏡的安裝精度也可降低，有便于安裝和調試。

2.3聚光器的軟件設計

本設計采用ZEMAX軟件進行仿真設計及優(yōu)化。設計參數(shù)如下：

本設計選擇一次反射鏡開口直徑3000mm，聚光比1300，聚焦點溫度800度，作為設計目標，預設的聚光器的結構參數(shù)為：

一次反射鏡：開口直徑3000mm，拋物面，曲率半徑3621.4mm；

二次反射鏡：開口直徑680mm，拋物面，曲率半徑724.264mm；

菲涅爾透鏡：直徑700mm，厚度4mm，螺距0.25，曲率半徑491.59mm；

以拋物面頂點計算，二次反射鏡在一次反射鏡前方1448.7mm處，菲涅爾透鏡在二次反射鏡后方1200mm處，系統(tǒng)總長2000mm。

太陽能光熱利用中的關鍵是聚光裝置，實驗作品設計了一種二次反射一次折射的聚光器，光線經(jīng)一次反射鏡反射后會聚于二次反射鏡表面，經(jīng)二次反射鏡反射后，再經(jīng)過透鏡將光能聚焦在吸熱器上，設計如圖2所示。

2.4 實驗結果及分析

實驗分析結果如圖3所示。

（1）系統(tǒng)的聚光比

從圖3中可以看出，在焦平面上，90%的太陽光能集中在半徑為30mm的圓內，由此可計算出理論的聚光比：

（2）系統(tǒng)的聚光效率

由此可得出聚焦最高溫度可達2100℃。考慮反射鏡的反射率和菲涅爾透鏡的透過率，可計算出太陽光的聚光效率為（設一、二次反射鏡的反射率為94%，菲涅爾的透射率為91%）：

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