（制冷及低温工程专业论文）线性菲涅尔反射式太阳能集热系统研究.pdf

山东大学硕卜学位论文 摘要 太阳能是取之不尽、用之不竭的环保新能源，是世界应对能源危机的最佳解 决方案之一。我国目前在太阳能低温( 1 0 0 以下) 应用( 太阳能热水器) 方面 取得了巨大的成功，但对太阳能中高温热利用( 1 0 0 - - 3 0 0 ) 的研究还很少，广 大工业过程亟需环保、价廉的中高温热源。线性菲涅尔反射式( l i n e a rf r e s n e l r e f l e c t o r ，l f r ) 太阳能中高温集热系统，使用平面反射镜，易于制造、价格低 廉，与其它聚焦太阳能系统相比具有显著优势，得到了世界各国的高度重视和普 遍关注。 目前，线性菲涅尔反射式集热系统普遍存在遮挡和阴影问题，造成系统利用 效率低，必须研究菲涅尔系统的优化布置形式以削弱该问题的影响。另一方面， 在太阳能集热系统中涉及到辐射导热对流耦合传热，要实现整个能量传递环节 在最优工况下运行，必须研究高热流密度条件下传热工质的换热规律，探索接收 器内强化传热的方法。有关这方面的研究已成为太阳能中高温领域的前沿课题之 一，具有十分重要的学术研究意义和非常广阔的应用前景。 本文首先研究了将平面反射镜场与复合抛物聚光器( c o m p o u n dp a r a b o l i c c o l l e c t o r ，c p c ) 耦合考虑的新型菲涅尔反射聚光系统，探索解决线性菲涅尔系 统阴影和遮挡问题的方法。给出了c p c 的设计原理和优化途径；分析推导了确 定集热系统接收器高度、镜场范围和反射镜间距等重要参数的布置公式；计算出 了每面反射镜的最佳初始偏角，建立了反射镜场布置和二次聚光器结构设计综合 优化理论与模型。并根据理论分析，设计计算了一个典型的1 k w 菲涅尔反射集 热系统，给出了镜场布置的关键参数，并利用t r a c e p r o 光学模拟软件，采用蒙 特卡罗光线跟踪法，建立了所设计的l k w 菲涅尔反射系统的光学模型，研究了 在不同太阳光线入射角的情况下，菲涅尔系统的镜场布置和光学性能。 其次，根据热力学第一定律，对反射式线性菲涅尔单管c p c 腔型集热器的 集热性能开展了理论研究。针对该系统建立了稳态模型，利用辐射热网络法和传 热热阻原理，研究了c p c 腔型集热器内的辐射传热和热损失分布情况，计算了 该集热器的集热性能。模拟分析表明：在计算条件下，c p c 腔型集热器最大集 j 1 东夫学硕f 学位论文 热效率约为o 6 5 ，在太阳能集热高温段有着明显的优势；增加接收器的长度能够 很好地提高集热温度；通过玻璃盖层的传热是系统热损失的主要环节；集热器光 学参数对集热性能的影响较大，应努力提高玻璃盖层的透过率和c p c 腔体内壁 的反射率并降低保温层外壁的发射率来减小总热损系数，提高集热器的热性能。 另外，运用m a t l a b g u i 图形界面设计工具来研究开发了一种c p c 腔型集热器 热性能分析软件，用户可以通过改变集热器的结构参数来研究系统性能的相应变 化，该软件提供了一个可供反复使用且操作简单的集热器热分析工具。 最后，基于上述理论优化分析，搭建了典型l k w 线性菲涅尔反射式中高温 集热系统，通过实验来验证其实际性能。本文测试了该集热系统的热损失性能、 空晒性能参数、c p c 腔温度分布和集热效率等关键参数。实验结果显示，该集 热器的平均热损失系数觇约等于0 6 3w ( m 2 ) ，表明本实验装置有着良好的保 温性能；在实验条件下，菲涅尔反射式集热系统的空晒温度达到2 7 0 ，其空晒 性能参数k 约为0 5 2 m 2 侧；c p c 腔体内的温度变化趋势一致，但其分布是 不均匀的，中间位置的温度最高，两端和边缘位置的温度最低；该菲涅尔集热系 统拟合效率曲线为r = 0 6 1 8 - 0 0 0 1 2 5 ( t r 乃) 。实验结果表明，所设计的线性菲涅尔 反射式中高温集热系统有着较优的集热性能。 关键词：太阳能；线性菲涅尔反射；中高温集热；镜场布置；集热性能 l i j 东人学硕i j 学位论文 a b s t r a c t s o l a re n e r g yi so n eo ft h eb e s ts o l u t i o n st or e s o l v et h ew o r l d se n e r g y c r i s i s ，b e c a u s ei ti sn o to n l yt r u l yi n e x h a u s t i b l e ，b u ta l s oc l e a n c h i n ah a s a c h i e v e dg r e a ts u c c e s si nl o wt e m p e r a t u r e ( 10 0 o rl e s s ) s o l a rt h e r m a l a p p l i c a t i o n s ( s o l a rw a t e rh e a t e r ) ，b u tt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nt h e m i d d l e - h i g ht e m p e r a t u r es o l a rt h e r m a la p p l i c a t i o n s ( 10 0 3 0 0 ) i ss t i l l i n s u f f i c i e n t t h em a j o r i t yo fi n d u s t r i a l p r o c e s s a r ei nd i r en e e do f m i d d l e - h i g ht e m p e r a t u r eh e a ts o u r c e c o m p a r e dw i t ho t h e rs o l a rs y s t e m s ， l o wc o s tl f rs y s t e mw h i c ha d o p tf l a tm i r r o r sa n di se a s yt om a n u f a c t u r e ， h a so b v i o u sa d v a n t a g e s l f rt e c h n o l o g yh a sa r o u s e du n i v e r s a lc o n c e r ni n m a n yc o u n t r i e so ft h ew o r l d c u r r e n t l y ，t h el i n e a rf r e s n e lr e f l e c t o rc o l l e c t o rs y s t e mf a c e sc o m m o n s h a d o wa n db l o c kp r o b l e m s ，w h i c hw i l lr e s u l ti nl o ws y s t e me f f i c i e n c y i ti s n e c e s s a r yt oo p t i m i z et h el a y o u to ft h ef r e s n e ls y s t e mt oe l i m i n a t et h e s e p r o b l e m s o nt h eo t h e rh a n d ，t h es o l a rc o l l e c t o rs y s t e m i n v o l v e si n r a d i a t i o n - c o n d u c t i o n - c o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rp r o c e s s t h eh e a tt r a n s f e r w i t h i nt h er e c e i v e ru n d e rh i g hh e a tf l u xm u s tb es t u d i e dd e e p l yi no r d e rt o a c h i e v et h eo p t i m a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s r e s e a r c hi n t h i sa r e ah a sb e c o m e o n eo ft h ef o r e f r o n t t o p i c s o fm i d d l e - h i g ht e m p e r a t u r es o l a re n e r g y u t i l i z a t i o nf i e l d t h i sp a p e rs t u d i e san e wf r e s n e lr e f l e c t o rs y s t e mc o u p l e dt h el a y o u to f f l a tm i r r o rf i e l da n dt h ed e s i g no fc p c t h em e t h o dt or e s o l v et h es h a d o w a n db l o c kp r o b l e m si se x p l o r e d t h ed e s i g np r i n c i p l ea n do p t i m i z a t i o n m e t h o do fc p ca r ep r e s e n t e d t h ef o r m u l a st od e t e r m i n et h es y s t e m s p a r a m e t e r sa r ea n a l y z e ds u c ha sa l t i t u d e ，l a y o u tr a n g eo fr e f l e c t o rf i e l da n d s p a c i n go fn e i g h b o r i n gm i r r o r t h eb e s ti n i t i a la n g l eo fe a c hm i r r o ri s c a l c u l a t e d a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，at y p i c a l 1k wf r e s n e l r e f l e c t o rc o l l e c t o rs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d t h e n ，w i t ht h eu s eo ft r a c e p r o o p t i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e ，t h eo p t i c a lf i e l dm o d e lw a sb u i l tt os t u d yt h e i i i 山东丈学石贝i j 学位论文 a r r a n g e m e n to ft h ef r e s n e ls y s t e ma n do p t i c a lp e r f o r m a n c e s e c o n d l y ，b a s e do nt h ef i r s tl a wo ft h e r m o d y n a m i c s ，t h et h e o r e t i c a l r e s e a r c ho fl f rc o l l e c t o rw i t hc p cc a v i t ya n ds i n g l et u b er e c e i v e ri s c a r r i e do u t as t e a d y - s t a t em o d e lo ft h es y s t e mi sc r e a t e dw i t ht h eu s eo f r a d i a t i o nn e t w o r km e t h o da n dt h ep r i n c i p l eo ft h e r m a lr e s i s t a n c e t h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fr e f l e c t o rh a sb e e na c h i e v e d a n dt h et h e r m a l p e r f o r m a n c eo ft h i ss y s t e mh a sb e e nd i s c u s s e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h em a x i m u m c o l l e c t t i n ge f f i c i e n c y c a na c h i e v e0 6 5 t h ec o l l e c t o r t e m p e r a t u r ei n c r e a s e sa l o n gt h er e c e i v e r t u b el e n g t h h e a tt r a n s f e rf r o m g l a s sp a n ei s t h em a jo ra s p e c to ft h et o t a lt h e r m a ll o s s t r a n s m i s s i v i t yo f g l a s sp a n e ，r e f l e c t i v i t yo fc p cc a v i t ya n dt h ee m i s s i v i t yo fc p ci n s u l a t i o n a r ek e yf a c t o r si n f l u e n c i n gt h et h e r m a lp e r f o r m a n c e i na d d i t i o n ，at h e r m a l p e r f o r m a n c ea n a l y s i s s o f t w a r ea b o u tc p cc a v i t yc o l l e c t o rh a sb e e n d e v e l o p e db yu s i n gm a t l a b g u i ，w h i c hp r o v i d e sas i m p l ea n dr e p e a t a b l e a n a l y s i st o o lt os t u d yt h et h e r m a lo p e r a t i o no ft h el f r c o l l e c t o r f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t s ，t h e1k wl f rs y s t e mh a s b e e nd e s i g n e da n dc o n s t r u c t e d e x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u tt o t e s t t h i s s y s t e m s a c t u a lp e r f o r m a n c e s y s t e mp e r f o r m a n c es u c ha sh e a tl o s s ， s t a g n a t i o np a r a m e t e r ，c p cc a v i t yt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dc o l l e c t o r t h e r m a le f f i c i e n c yw e r et e s t e ds y s t e m a t i c a l l y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h ea v e r a g ec o l l e c t o rh e a tl o s sc o e f f i c i e n ti sa p p r o x i m a t e l ye q u a lt o o 6 3w ( m 2 ) u n d e rt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，t h es y s t e ms t a g n a t i o n t e m p e r a t u r ec a nr e a c h2 7 0 a n dt h es t a g n a t i o np a r a m e t e ri sa b o u t0 5 2 m z w ，t h et e m p e r a t u r e si nt h ec p cc a v i t yh a v et h es a m et r e n d ，b u tt h e i r d i s t r i b u t i o ni su n e v e n t h ec o l l e c t o re f f i c i e n c yf i t t i n gc u r v eo ft h i ss y s t e m h a sb e e ng o tt = 0 618 - 0 0 0l2 5 ( t r - t a 、a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a ld a t e t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h i sm i d d l e - h i g ht e m p e r a t u r el i n e a rf r e s n e l r e f l e c t o rs y s t e mh a so p t i m u mp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：s o l a re n e r g y ；l i n e a rf r e s n e lr e f l e c t o r ；m i d d l e h i g ht e m p e r a t u r e s o l a rt h e r m a lu t i l i z a t i o n ；m i r r o rf i e l dl a y o u t ；s o l a rc o l l e c t i n gp e r f o r m a n c e i v 重要符号说明 主要符号 彳，集热面积，m 2 cc p c 聚光比 印工质定压比热，j ( k g k ) d反射镜宽度，m d m反射镜场宽度，m dc p c 腔宽度，m 么吸热管外径，m f效率因子 厂c p c 间隙，m g重力加速度，m s 2 g r 格拉晓夫数 日接收器高度，m h c p cc p c 高度，m h 。对流换热系数，w ( m 2 ) 厶太阳辐照度，w m 2 三c p c 长度，m 希腊字母 o m 觚c p c 最大接收半角，o 反射镜与水平面的夹角，o 仅太阳高度角，o 6太阳赤纬角，o 矽当地纬度，o c o太阳时角，o a反射镜入射光线与水平面夹角，o ”努塞尔数 尸，普朗特数 q反射镜与接收中心距离，m 9 1 0 s 。集热器热损失，w m g r g 玻璃盖层净辐射值，w m g r ，吸热管净辐射值，w m q r ，。p 。c p c 内壁净辐射值，w m g u系统得到的有用功，w m ，接收管半径，m s相邻反射镜间距，m 死环境温度， 兀工质进口温度， 兀工质出口温度， 仇集热器总热损系数，w ( m 2 ) v空气流速，m s wc p c 开口宽度，m 集热效率 平面镜反射率 c p c 反射率 玻璃盖层吸收率 金属管吸收率 玻璃盖层透过率 运动粘度，m 2 s v 玎 肺 腑 魄 诉 龟 v 山东大学硕 学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第1 章绪论 能源是人类生存的基础，能源的合理开发和利用是整个社会发展的源泉，也 是人类文明与进步的重要标志之一。当前全球一次性能源构成主要是以矿物燃料 为主体，但矿物燃料作为地球的资源，一方面在不久的将来会枯竭，另一方面大 量矿物燃料的使用又造成了环境污染和生态破坏，严重地危害着人们的健康。因 此，目前就全球而言，急需发展低成本、环保的新能源利用技术，以适应不同地 区的需要，节约能源，减少污染。开发和利用新能源符合国家可持续发展战略。 新能源要同时符合两个条件：一是蕴藏丰富，不会枯竭；二是安全、洁净， 不会威胁人类和破坏环境。科学研究表明，照射在地球上的太阳能非常巨大，大 约4 0 分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年能量的消费，地球上 的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能及部分潮汐能都是来源于太阳， 即使是地球上的化石燃料( 如煤、石油、天然气等) ，从根本上说也是远古以来 所贮存下来的太阳能【1 】。可以说，太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。而 且太阳能绝对干净，不产生公害，完全符合当前全球能源危机下新能源的选择标 准，是中国乃至世界面临能源危机的最佳解决方案之一【2 】。 我国地域辽阔，地处北纬阳光充沛的亚热带地区。大部分地区的太阳辐射量 都比较大，在3 3x1 0 3 8 4x1 0 6k j ( m 2 a ) 之间，陆地面积每年接收的太阳辐射 总量相当于2 4 1 0 4 亿吨标准煤，属于太阳能资源丰富的国家之一。全国总面积 2 3 以上地区年日照时数大于2 0 0 0 小时，日照辐射在5 1 0 6k j ( m 2 a ) 以t - 。在有 些地区( 如西北地区、西藏地区) 日照时间超过3 0 0 0 小时。如此丰富的太阳能资 源对开发利用太阳能提供了良好的条件【3 巧】。 目前，太阳能作为可资利用的能源，主要有光一电转换( 光伏) ，光热转换( 热 利用) 等形式，其具体的利用途径如图1 1 所示： 山东人学硕 ：学f t 论文 太阳能 发鬯 热利用 图1 l 太阳能利用的主要途径 有数据显示，2 0 0 8 年我国真空管太阳能热水器年产量已经达到3 1 0 0 万平方 米，占世界总产量的7 6 ，总保有量1 2 3 0 0 万平方米，占世界总保有量的5 6 ， 生产量和使用量世界第一，同时我国太阳能正以年3 0 的高速增长率发展。预计 到2 0 1 5 年，仅全国住宅用太阳能热水器将达到2 3 2 亿平方米的拥有量，普及率 将达到2 0 3 0 。 然而相对于在热水器中太阳能低温( 1 0 0 以下) 应用的巨大成功，我们在 太阳能中高温领域( 1 0 0 - - - 3 0 0 ) 的研究和开发还很不足。与西方发达国家相比， 我们研究利用太阳能的水平还较低，广大工业过程急切需要太阳能的应用。太阳 能中高温领域涉及到工业生产中的加热、太阳能制冷与空调、太阳能干燥和海水 淡化等过程，有着很广阔的应用前景，如表1 1 所示【6 1 。 表1 1 中高温热利用的主要领域 2 工业利用领域用途 热能形式温度 能源发电蒸汽 15 0 4 0 0 引发蒸汽1 3 0 15 0 快速分离 蒸汽1 5 0 塑料加工挤压蒸汽 1 5 0 干燥蒸汽( 空气) 1 8 0 混合蒸汽1 5 0 压平空气 1 1 0 1 5 0 玻璃加工 干燥纤维空气1 3 0 1 8 0 加热浸折蒸汽( 空气) 1 5 0 1 8 0 化学工业 烘干蒸汽( 空气)1 5 0 1 8 0 j 东人学硕卜学位论文 冲洗水蒸气 8 0 1 5 0 食品加工浓缩蒸汽1 3 0 1 9 0 干燥 蒸汽( 空气) l3 0 2 4 0 窖内烘干空气 8 0 1 2 0 木材加工胶合板制备蒸汽 1 2 0 1 8 0 热压纤维板 蒸汽2 0 0 引发蒸汽 1 3 0 合成橡胶单体同收蒸汽 1 3 0 干燥 蒸汽( 空气) 1 3 0 漂洗 水8 0 1 0 0 纺织工业 处理 蒸汽 8 0 1 3 0 干燥 蒸汽( 空气) 8 0 1 4 0 公路建设融化沥青蒸汽 1 2 0 1 8 0 烟草行业 制丝蒸汽l5 0 2 0 0 本课题研究新型线性菲涅尔反射式( l i n e a rf r e s n e lr e f l e c t o r ，l f r ) 太阳能 中高温集热系统，可以广泛应用于工农业生产过程，实现节能减排。因其结构简 单、控制方便和成本低廉等优点，很适于在工业过程中大规模应用。 l f r 系统由平面反射镜阵、c p c 复合抛物反射器( c o m p o u n dp a r a b o l i c c o l l e c t o r ，c p c ) 、管状接收装置、一维跟踪系统、蓄热换热器、泵和支架等组 成。所述跟踪系统带动反射镜阵水平旋转，始终将太阳光反射到支架上的二级反 射器c p c 内，一部分光直接照射接收管，另一部分光经过c p c 的聚光作用也会 反射在接收管上，加热通过接收管的介质，得到中高温热源【7 1 。 该系统集槽式和塔式系统的优点于一体，将平面镜反射和c p c 聚光结合在 一起，利用平面镜阵扩大了接收光的范围，增大了聚光比，反射到c p c 接收管 上能得到高温。减少了c p c 槽和金属接收管的使用，成本优势明显。线性菲涅 尔反射式集热系统与槽式或碟式的聚焦太阳能系统相比具有显著特点和优势【8 】， 太阳能聚焦式集热系统，能够充分利用太阳能资源，环境友好，效率较高，不足 之处在于需要抛物型反射器，成本较高，不易大规模推广应用；相比之下，菲涅 尔反射式太阳能中高温集热系统最大的优点就是使用平面反射镜，易于制造、价 格低廉，并且还具有聚光比可调，对安装固定要求低，维护简便等突出特点，因 3 此非常适于在国内大规模推广利用。 在我国能源利用中，工业利用大约占7 0 ，民用只占3 0 。“十二五”期间 全国主要污染物排放总量控制规划规定四大主要污染物平均排放量在2 0 1 5 年年 末分别比2 0 1 0 年年末下降1 0 1 9 1 。各市区2 t h 以下的燃煤锅炉有计划拆除，没 有s 0 2 总量的新上企业需采用燃油、燃气( 有燃气管道的) 、甚至采用电来加热， 企业生产成本急剧上升，因此广大工业过程中亟需环保、高效、经济的中高温热 源。如何突破资源、环境的制约是当前和今后我国工业面临的紧迫任务和战略课 题。若能利用太阳能来代替工业用能源的一部分，将大大减少由于化石燃料燃烧 而排放的c 0 2 、s 0 2 等气体，有利于我国在保证经济发展速度的前提下，节能减 排和环境保护工作的开展。 本课题研究工作符合国家发展低碳经济的重大需求，面向国家十二五发展战 略规划，本项目研究和开发可在工农业领域中广泛应用的太阳能中高温能源利用 技术，对于减少温室气体、s 0 2 排放将具有重要作用，对我国节能减排、可持续 发展、实现低碳经济具有重大意义。 1 2 课题研究现状及存在的问题 美国在二十世纪八十年代即开始了利用太阳能中高温技术获得1 0 0 以上 的热水和蒸汽，其广泛应用在纺织、食品加工、建筑、木材烘干、塑料加工、纺 织工业等工农业生产中。美国能源部( d o e ) 下属的桑迪亚国家实验室和国家可 再生能源实验室联合组成的太阳能实验室( s u nl a b ) 多年来一直进行太阳能中高 温热利用的研究，涉及塔式、槽式、碟式太阳能热发电等领域【m 】。他们开发和 测试了高性能的复合太阳能系统，并设计了能实地快速检测光热转换器温度的红 外摄像g p s 监测系统等，目前该国的太阳能研究正在进入系统优化和寻求大规 模商业化应用阶段。 澳大利亚国立大学新能源研究中心( c s e c ) 、以色列的b e n g u r i o n 国家太 阳能中心等国家研究机构也在致力于太阳能聚焦型集热器的开发、太阳能中低温 与建筑一体化的应用、太阳能利用评估等方面工作。 我国的科研机构和太阳能企业在太阳能热利用方面也已开展了大量的研发 工作【1 1 1 。中国科学院电工研究所皇明太阳能集团联合实验室在王志峰研究员的带 4 山东大学硕 1 学位论文 领下主要进行了太阳能热发电站系统设计、太阳能聚光、高温光热转换、储热技 术等方面的研究工作，开发出了定目镜、碟式聚光器、槽式聚光器等产品，目前 正在建设亚洲最大的塔式发电站【1 1 j7 1 ，是国内太阳能研究的典范。清华大学、上 海交通大学、北京工业大学在选择性吸收涂层和真空管开发、光热利用、太阳能 光伏技术、太阳能制冷技术以及高温熔盐的传热蓄热等方面进行了大量的研发工 作1 8 , 1 9 】。西安交通大学直接太阳能光催化分解水制氢也已取得一定的进展。河海 大学在太阳光方位传感器、自动跟踪系统、槽式太阳能光热转换器和槽式抛物面 反射镜研究等方面取得了很大的进步。我国的太阳能企业也进行了大量的研发工 作，皇明太阳能公司、力诺瑞特新能源公司等国内一线厂家主要关注于太阳能高 温热发电、太阳能锅炉、太阳能空调、海水淡化等技术的开发和利用，目前已有 一些中高温产品投入市场，我国的太阳能热利用有着很大的发展潜力。 具体到线性菲涅尔反射集热系统，近几十年来，各国对该技术的研究从未间 断，这一趋势从太阳能利用的权威刊物，以及近年召开的相关国际会议上也可得 以反映【2 0 之2 1 。澳大利亚的m i l l s 等【2 3 1 系统论述了菲涅尔技术用于直接产蒸汽发电 系统的理论。西班牙2 0 0 9 年建设完工了世界上先进的线性菲涅尔反射式太阳能 高温热发电站p u e r t oe r r a d o1 ，如图1 2 所示【2 4 1 。以色列的f e u e r m a n n 等【8 1 对使 用真空管接收器的跟踪型菲涅尔集热系统进行了实验研究。此外，日本的a k i r a h o s h i 等2 5 1 研究了新型高熔点相变材料在菲涅尔反射集热系统中的应用。n v e l d z q u e z 等【2 6 】用数值模拟的方法验证了线形菲涅尔技术用在太阳能吸收式制冷系统 上的可行性。 国内方面专门针对菲涅尔反射式太阳能中高温集热系统的工作报道还较少， 广东工业大掣2 7 】研究了中高温太阳能光谱选择性吸收涂层的光学性能特点和类 型。中北大学【2 8 1 进行了菲涅尔透镜提高太阳能利用率的研究。上海交通大学太 阳能发电与制冷研究中心【2 9 】试验研究了平面菲涅尔透镜系统的集热特性，并建 立了数学模型。 对已报道的工作进行总结，不难发现，菲涅尔反射式太阳能集热系统最大的 不足是存在遮挡和阴影问题，造成系统利用效率较低，同时占地面积较大，因而 在一定程度上限制了该系统在中高温领域中的推广应用。将接收器高度提升，可 以有效缓解该问题，但成本会增加；或者增大接收器的尺寸，但这会相应增大整 5 山东大学硕f + 学位论文 个镜场的占地面积【3 们。澳大利亚悉尼大学【3 1 , 3 2 】提出了一种紧凑型线形菲涅尔反射 技术( c o m p a c t l i n e a rf r e s n e lr e f l e c t o r ，c l f r ) ，在一定程度上解决了遮挡和占 地的问题，如图1 3 所示。但该技术主要适用于大规模太阳能热发电项目中，为 了探索在菲涅尔反射式中高温集热系统中最优的镜场布置形式，我们提出了将平 面反射镜场与复合抛物聚光器c p c 复合考虑的新型两次反射聚光系统，该方法 能减小系统的光学损失并增加聚光比。寻求合理的菲涅尔反射镜场布置和c p c 二次聚光器结构优化方法是我们需要努力的方向。 图1 2 西班牙p e i 线性菲涅尔反射式太阳能热电站 图1 3 澳大利亚c l f r 聚光原理 另一方面，在太阳能集热系统中涉及到辐射导热对流耦合传热。要实现整 个能量传递环节在最优工况下运行，保证系统的可靠性、稳定性和高效率，必须 研究高热流密度条件下传热工质的耦合换热规律，探索接收器内强化传热的措 施。接收器管径、焦距、开口宽度等是影响传热的重要因素，研究其关联特性是 6 山东人学硕l ：学位论文 探索强化传热方法的有效途径。印度的s i n g hp l 等【3 3 3 4 j 用实验和理论模拟相结 合的方法研究了一种用在菲涅尔反射系统中的梯形腔式接收器的热损失和集热 性能。结果显示圆形接收管效率高于矩形接收管，集热效率受聚光比和选择性吸 收涂层影响很大。西安交通大学1 3 5 , 3 6 】模拟分析了槽式太阳能集热器内耦合换热特 性。光热转换器是太阳能集热器的核心部件，三种形式的能量转换就是通过该装 置完成的。在中高温领域应用最多的是线聚焦的管状光热转换器。该类型转换器 主要涉及到真空玻璃套管与吸热管之间的连接、传热工质的选择和接收器形式的 改进等技术。为了改进光热转换器的性能，各国学者都进行了大量有益的探索。 张红掣3 7 】用金属连接环代替金属膨胀节与吸热管连接，吸热管的另一端设一支 架活动连接以消除热膨胀应力。该方式巧妙地避免了金属膨胀节的使用，降低了 成本。澳大利亚的o d e h 等3 8 , 3 9 1 对比研究了槽式热发电使用导热油工质和水直 接产蒸汽系统( d s g ) 【4 0 】的性能，结果表明直接产蒸汽系统的热损失低于导热 油系统，结构简单，效率高，同时可显著降低成本。为了克服d s g 接收器中直 接产生的蒸汽压力较高，汽水混合物对管路冲击严重，且吸热管周向温差较大会 造成接收器弯曲等问题【4 1 1 ，v i c e n t ef l o r e s 等人【4 2 1 设计了一种铜钢双金属管集热 器，具有较好的传热性能，但成本偏高。我国南京工业大学1 4 3 】研究开发了一种 中温太阳能热管光热转换器，性能良好。综合分析上述研究情况，专注于菲涅尔 反射式太阳能中高温应用的接收器研究还较少，接收器的形式和工作介质选择还 需迸一步优化，强化传热传质的研究工作亟需开展。 综上分析，目前在菲涅尔反射式太阳能中高温集热系统的研发工作中，亟待 解决的理论问题包括反射系统合理布置和c p c 二级反射器结构优化和设计，光 热转换器内传热流动情况和强化传热技术，技术上存在的瓶颈问题是高效的光热 接收装置，低成本二次反射跟踪系统的设计、匹配等。本课题将对以上核心技术 和理论问题进行前沿探索，为太阳能中高温系统的发展和线性菲涅尔反射集热系 统形成产品并最终走向产业化提供重要的理论与技术支持。 本文的主要研究内容 线性菲涅尔反射式太阳能中高温集热系统主要由低成本的平面反射镜场、 c p c 二级反射器、高效管式光热接收装置、蓄热箱、太阳能跟踪系统、控制系 7 山东人学硕 ：学化论文 统等组成，利用太阳能可提供2 0 0 以上的中高温能源。 线性菲涅尔反射式太阳能中高温集热系统涉及到光学、热力学、材料科学、 电力系统和自动控制等方面的知识，是一项相当复杂的系统工程。本课题研究内 容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 研究将平面反射镜场与复合抛物聚光器c p c 复合考虑的新型菲涅尔反 射聚光系统，探索解决线性菲涅尔系统阴影和遮挡问题的方法，建立反射镜场布 置和二次聚光器结构设计综合优化理论与模型，寻求最优化整个集热系统性能与 成本的布置形式。根据理论分析，设计一个典型的l k w 菲涅尔反射集热系统， 并利用t r a c e p r o 光学模拟软件，采用蒙特卡洛光线跟踪法，建立镜场布置的光 学模型，研究在不同太阳光线入射角的情况下，菲涅尔系统的镜场布置和光学性 能，更直观地分析线性菲涅尔反射式集热系统的优化布置。 ( 2 ) 对反射式线性菲涅尔单管c p c 腔型集热器的集热性能开展理论研究， 针对该系统建立稳态模型，利用辐射热网络法和传热热阻原理，研究集热器热性 能的计算方法，从而得出集热器的温度分布，分析反射率、透过率、发射率等主 要光学参数对系统集热性能的影响，提出降低热损失的途径。另外，运用 m a t l a b g u i 图形界面设计工具来研究开发一种c p c 腔型集热器热性能分析软 件，提供一个供用户反复使用且操作简单的集热器热分析工具。 ( 3 ) 在上述理论优化分析的基础上，搭建l k w 线性菲涅尔反射式集热系统， 通过实验来验证其实际性能。测试系统的热损失性能、空晒性能参数、c p c 腔 温度分布和集热效率等关键指标，验证模拟分析结果，并把实际中遇到的问题反 馈设计优化，探索开发高效的菲涅尔反射式太阳能中高温集热系统。 8 山东大学硕 ：学位论文 第2 章线性菲涅尔反射式集热系统光学性能分析 光学性能是影响太阳能集热效率的关键。线性菲涅尔反射式集热系统普遍存 在遮挡和阴影问题，优化布置反射镜场和c p c 接收器是改进系统光学性能的重 要途径。 本章主要介绍了作为腔型接收器的c p c 原理和优化设计方向，将反射镜场 的布置和c p c 接收器设计结合起来，根据太阳运动的角度变化，优化设计整个 集热系统的接收器高度、镜场面积和反射镜间距等，并给出每个反射镜的最佳初 始角度和旋转跟踪速度，做到满足集热性能要求的同时占地面积尽量小。根据理 论分析，设计一个典型的1 k w 菲涅尔反射集热系统，计算出其基本结构参数。 并利用t r a c e p r o 光学模拟软件，采用蒙特卡洛光线跟踪法，建立镜场布置的光 学模型，研究太阳入射角分别为9 0 。、6 0 。和3 0 。时，菲涅尔系统的镜场布置 和光学性能，更直观地分析线性菲涅尔反射式集热系统的优化布置。 2 1 c p c 复合接收器 2 1 1c p c 复合接收器原理 c p c 复合接收器是由美国学者w i n s t o n l 4 4 1 根据最大聚光原理发明的理想非成 像聚光器，入射阳光在c p c 中通过几次反射到达接收表面，流失较少，还可对 斜入射的太阳光进行有效收集，达到最大理论聚光比。c p c 的运行不需要随时 跟踪太阳位置，只需根据季节调节方位，结构简单。因此选用c p c 作为线性菲 涅尔反射式集热系统的二级反射器，可以达到很好的光学性能。 图2 1 是c p c 的光学原理图1 4 引，由图可知，抛物线a 的焦点f a 位于抛物线 b 上，而抛物线b 的焦点f b 则位于抛物线a 上，a 和b 对c p c 的中心轴对称。 a f a 和b f b 分别与抛物线b 和a 的主轴平行，其夹角为c p c 的最大接收角2 如觚， 但其交点并不是a 和b 共同的焦点，c p c 并无共同焦点。光线s 1 ，s 2 ，s 3 照 射到抛物面上后，聚焦到焦点上，因抛物线的焦点不在吸热圆上，光线聚焦在吸 收器的c 、d 、f 三点，而不是聚焦在一点上。这样使得聚焦的光线在吸热体上 9 l i j 东大学硕十学位论文 分布合理，不易形成焦斑，因此不易损坏集热管。f a g 、g f b 为两段对称的渐 开线，渐开线的展开圆为吸热管的外圆。由圆的渐开线性质可知，从圆外任何方 向射向圆的渐开线上的光线经反射后都投射到该圆上，因此它具有不用跟踪太阳 也可以接收会聚光线的功能，故提高了聚光器的光学效率【4 6 1 。 1 0 图2 1c p c 光学原理图 ( a ) c p c 入射角小于接收半角 ( b ) c p c 入射角大于接收半角 图2 - 2c p c 入射角与接收半角关系图 当c p c 接收器集热时，若太阳入射光线平行于抛物线a 或b 的主轴，射线 山东火学硕i j 学位论文 将被汇集至各自的焦点。若入射角小于最大接收半角，o r ，如图2 - 2 ( b ) 所示，入射辐射在第一次反射后将到达相应焦点的上方， 最终将返回c p c 的开口而不能由接收器吸收。若抛物镜是理想的，投射在c p c 开口上2 6 l n 觚之间的辐射都将聚焦到接收器中【4 6 1 。 2 1 2c p c 复合接收器的数学分析 从c p c 原理图中可知复合接收器是轴对称结构，由底部吸热管的圆渐开线 和上部的抛物线段组成，对其进行数学描述时只需考虑一侧的截面即可。以接收 器的圆心为原点建立直角坐标系，如图2 3 所示，可以得到c p c 右半段的参数 坐标方程】： 在圆的渐开线段中： x = ，s i n t - ，( t ) c o s f ( 2 - 1 ) 】，= - - r c o s t 一，“) s i n t ，( ，) = ( 2 r f + f 2 ) 。5 + ，( f t o ) ，c o s f 。= ，( ，+ ) ，t o f 等+ 先积 ( 2 2 ) 在抛物线段中： ，( f ) = 2 ( ( 2 r f + f 2 ) 0 5 一) + r 弓+ o m = + t - c o s ( 卜) 】) 1 + s i n ( r 一先越) ， c x ) s t o = r 他切，兰+ 先一孚一o m 。( 2 - 3 ) 其中，r 接收圆管半径5 广c p c 截面轮廓上的尖顶与圆管之间的间隙； 三p c 长度； 眦p c 开口宽度； h ：p p c 高度。 因此，在己知接收圆管半径r 和最大接收半角钆戕的情况下，根据上述方程 即可得到完整的c p c 几何形线。根据c p c 方程，复合接收器的重要特征参数可 山东大学硕l j 学位论文 分别表示如下： c p c 的聚光比c 可表示为： c = 1 s i n 氏。 c p c 接收器开口宽度形为： ：旦 s i n 先。