一種新型太陽能集熱裝置

楊旭潔 何厚樺 胡鴻偉

摘要：設計了一種新型的太陽能集熱裝置，采用水透鏡對光線進行聚集，利用黑體管集熱器收集利用熱能，裝置結構簡單，具有高效率，易于維護。

關鍵詞：太陽能;聚光集熱;水透鏡;黑體管;節能減排

太陽能作為一種清潔可再生能源受到廣泛關注，太陽能熱利用技術也迅速發展。一滴水就能引起一場深林大火，受到這個啟發，我們設計一種柱狀水透鏡完成折射式線聚光。進入人工黑體的光線將無法逃出，我們也希望集熱器能做到這一點，由此設計出一種黑體集熱管來吸收聚集的光線。為了突破現行槽式聚光集熱技術的局限，設計了一種新型太陽能聚光集熱裝置。

該裝置由聚光部分和集熱部分組成。在聚光部分，利用透鏡聚光原理，設計了一種以玻璃為殼體，在玻璃中注水的新型透鏡。與傳統拋物形反射面相比，水透鏡價格便宜、易于制造，通過換水可達到完全翻新的效果，從根本上解決了拋物形反射面易老化的問題。

集熱部分則利用人工黑體原理設計了一種高效的黑體集熱管。太陽光經過透鏡匯聚后經集熱管上的細縫射入黑體管內，被反復反射吸收，光能轉化為熱能來加熱工質。和傳統真空集熱管相比，黑體管輻射損失小，效率高，工藝簡單，壽命長。

相比于目前的槽式熱發電技術，該裝置結構簡單、成本低，在運輸、安裝和后期維護上都有優勢。我們創新性地提出了高效低成本的水透鏡方案，并設計了新型黑體集熱管。該裝置可用于大規模太陽能集熱發電、光伏發電、海水淡化等諸多領域，前景廣闊。

黑體集熱管利用人工黑體原理，將集熱管做成馬蹄形空腔管，這樣進入空腔內的高能量密度的光線只有很小的一部分通過缺口輻射出去。為了減小損失，可在空腔內表面涂吸收涂層，在空腔管外表面包覆良好的隔熱層。而在太陽能聚集過后，可形成高能密度的光帶，正好可使用黑體集熱管來收集。

1、集熱管溫度場模擬

為了進一步對集熱管的設計進行優化，我們采用fluent軟件對黑體集熱管的溫度場分布進行了模擬。模擬所用黑體管結構尺寸為：內徑30mm，外徑50mm，保溫層外徑100mm，開口角度θ1=30°，長度為1m。

計算方法：采用層流模型（Laminar）計算氣液兩相流動傳熱，采用DO模型計算輻射傳熱，求解環境是基于壓力、3D、穩態，忽略重力影響，求解器采用默認設置（SIMPLE、standard、一階迎風）收斂標準各余項小于0.001，energy和do-intensity兩項殘差小于10-6。

邊界條件設置：水進口溫度為300k，速度0.004m/s;內腔在水進口處溫度為300k，在水出口處的溫度按計算結果設定（500k）;保溫層厚度為0.025m，熱導率為0.03w/m·k;通過半透明體（玻璃層）進入內腔的熱流密度設為133333w/m2，玻璃層厚度為0.002m。

計算結果：

該模擬結果可以給我們提供改良黑體管方向，為了使溫度分布更均勻，可以采取如下措施：加強正對開口處管壁的吸熱涂層，增加其吸收率，減少其發射率;將內腔中央底部表面改為凸表面，如劈尖狀，可減小該表面對開口的角系數;增大最高溫度區域壁面粗糙度，使光線能向各個方向反射，受熱更均勻。

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