新型模块化太阳能聚光集热系统设计

刘跃财+王诗文

摘 要 本文提出了模块化设计聚光集热系统的思路，以等厚菲涅尔透镜和腔式集热器为研究对象，设计一套新型模块化的太阳能聚光集热系统。通过SolidWorks建立三维模型，利用TracePro、FLUENT进行了仿真分析。结果表明：理想情况下，等厚菲涅尔透镜聚光比高，且光学效率为91.298%，腔式集热器热效率在85%以上，系统整体性能良好。

关键词 聚光集热；模块化；等厚菲涅尔透镜；腔式集热器

中图分类号 TK519 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）172-0296-03

太阳能具有普遍广泛、清洁无害等优点，且开发利用方式多样，而将太阳能转换成热能加以利用是其中能量利用率较高和应用较为广泛的方式[ 1 ]。在光—热转换过程中，聚光集热系统作为核心部件，故对其的优化设计尤为重要。

众多国内外学者对应用于不同场合的聚光集热系统进行了大量设计。K. Lovegrove，G. Burgess等[ 2 ]设计并建立了一个500m2的碟式聚光集热装置，由380块完全相同的1.17m×1.17m的球面镜拼装而成，聚光倍数为2 000倍以上。熊亚选、吴玉庭等[3]为10kW分布式太阳能热—电联供系统设计制造了大型的槽式太阳能聚光集热器，其光热转换效率超过60%。Tao Tao，Zheng Hongfei等设计的槽式太阳能聚光集热器采用多曲面聚焦，让经过上曲面未聚焦的光线转移到下曲面进行二次聚焦，使太阳能接收器受上下两面的聚焦加热，提高了接收器的效率。J. Llorente，J. Ballestr？′n等设计了一种新型太阳能菲涅尔反射聚光集热装置，该装置由864块15cm×12cm的镜面在9个环上镶嵌而成，当所有镜面均聚焦到同一点时，良好天气条件下吸热处的温度为1 500K。

本文提出一种模块化设计的聚光集热系统，以聚光器和集热器为设计对象，既可以充分利用普通菲涅尔透镜大聚光比的特点，又能得到低成本、高效率的聚光集热系统。

1 聚光集热模块描述

本文设计的聚光集热模块主要有3部分组成：菲涅尔透镜、腔式集热器和工质输送管。其结构如图1所示。

经菲涅尔透镜聚焦的光线进入腔式集热器内部后，通过在涂有吸收涂层的腔体内壁上多次反射吸收，由工质输送管内流动的冷工质将腔体内的热量带走，实现光—热转换。

2 聚光集热系统设计

2.1 等厚菲涅尔聚光器设计

本文所采用的等厚菲涅尔透镜中心为球面透镜，记作第1环，从中心向外依次为2，3，4，……，n环。由几何光学知识推导、整理后，可得平行光经中心球面透镜折射后在菲涅尔透镜焦平面上形成的焦斑半径为

式中：f为菲涅尔透镜的焦距，N为透镜材料的折射率，1r为中心球面透镜的半径，h为中心球面透镜高度。

如图2所示为太阳光垂直入射到透镜的平面一侧时的光路图。

目前高倍聚光菲涅尔透镜设计时焦径比一般设定为1.2。现将等厚菲涅尔透镜的参数确定如下：大小为520mm×520mm，焦距为f=620mm，厚度为2.5mm（其中棱镜高度为h=0.5mm），聚光倍数为1000倍以上，聚光效率不低于85%，光斑在直径Φ25mm的范围以内，折射率为N=1.411 1。根据式（2），利用MATLAB软件编程计算，结果显示该菲涅尔透镜共有421环。

2.2 腔式集热器设计

腔式集热器由3部分组成：双曲线、半圆和半椭圆。曲线方程如下：

双曲线1：

将上述方程得到的曲线集合在一起并封口，可得到腔式集热器的几何结构，利用SolidWorks进行方程式驱动建模，得到集热器模型，其中集热器整体高为220mm，壁厚为2mm，如图3所示。

2.3 聚光集热模块设计

如图4所示，聚光集热模块主要由等厚菲涅尔透镜、腔式集热器、热交换管和连接管等组成。

结果显示，腔体内壁面对入射光辐射吸收的分布情况为：椭圆腔体部分占88%，圆和双曲线腔体部分总共占6.9%，其他损失占5.1%，其中绝大部分损失是由于“颈部”光强较大导致的辐射热损失。总的来说，集热器的热效率在85%以上且光学性能和热性能良好。

图6所示为工质在输送管内的模拟流速分布图。从模拟结果可以看出，传热工质在腔式集热器椭球下部附近流速较快，可快速将腔式集热器椭圆部分“蜗居”的热量带走，防止集热器局部高温造成热损失。

4 结论

本文设计了一种新型的模块化太阳能聚光集热系统，其核心部件是等厚菲涅尔透镜和腔式集热器。经模拟仿真，在理想情况下，聚光器聚光比大于2 000且光学效率达到91.298%；腔式集热器热效率在85%以上且热性能良好；同时，输送管内传热工质热传递效果良好，既可将集热器椭球部分的聚集热量快速带走，又能充分保证其他部分与工质的热传递接触时长。

参考文献

[1]陈德明，徐刚.太阳能热利用技术概况[J].物理，2007，36（11）：840-846.

[2]K. Lovegrove， G. Burgess， J. Pye. A new 500 m2 paraboloidal dish solar concentrator[J]. Solar Energy， 2011， 85：620-626.

[3]熊亚选，吴玉庭，马重芳，等.槽式太阳能聚光集热器光热性能初步试验研究[J].太阳能学报，2012，33（12）：2087-2092.