线性菲涅尔反射系统光学和集热性能研究

摘要

线性菲涅尔反射式集热器是线性聚焦集热器的一种，其研究始于上世纪八九十年代，在最近十年获得了各国太阳能研究机构的重视。相比于目前已经得到商业化利用的槽式集热器，线性菲涅尔反射器具有造价低、场地利用率高、反射镜风载低、控制系统简单等优点，它可以提供超过400℃的热源，既可作为工业和家庭用热源，也可建造太阳能热发电厂。
　　 菲涅尔反射集热器的一个技术难题是相邻镜面存在阴影和遮挡问题，导致系统光学效率较槽式偏低，虽然可以通过增加接收器高度和相邻镜面间距来减小阴影和遮挡，但会造成场地利用率低和末端损失增大等问题;此外，经济高效的接收装置也是国际上的研究重点，复合抛物面聚光器(CPC)由于对光线入射角要求很低，可作为二级反射器，但其制造难度和成本较高，接收管采用热性能最好的直通式金属-玻璃套管，梯形腔式接收器+金属接收管的配置由于成本较低，也有较大的利用空间。
　　 针对上述问题，本文首先对线性菲涅尔反射器的研究利用现状进行了概述。对菲涅尔反射系统进行了光学建模，探讨了焦距和时间、季节变化对末端损失的影响，结果显示末端损失与焦距呈正比，冬季的末端损失远大于夏季;实例研究了反射镜的倾角、阴影和遮挡问题，并采用光学模拟软件Tracepro进行了验证。推导了反射镜倾角公式，相邻镜面的阴影和遮挡公式，以及集热器的末端损失公式，为反射镜场的优化布置提供了理论支持。
　　 然后对CPC和梯形腔式接收器进行了建模分析。基于辐射热网络法和热阻法建立了CPC腔型接收器的传热模型，采用Matlab求解器编程对模型进行了求解，利用传热模型分析了镜场宽度、工质入口温度和质量流量的变化对系统出口温度和效率的影响。模拟结果显示:质量流量对工质出口参数影响最大，镜场宽度对集热效率的影响最为显著;菲涅尔集热器的热效率最高为0.68，可提供超过400℃的热源，对工质出口温度的控制应以控制流量为主。采用Fluent对梯形腔进行了模拟优化，引入热损失系数考察了环境温度、吸热管温度、腔体深度、侧边倾角、保温层厚度、玻璃盖板和选择性吸收涂层发射率对腔体性能的影响，模拟结果表明，通过辐射散热占整个腔体散热的主导地位，通过玻璃盖板的热损失大于通过保温层的热损失;所有本文研究的对热损失的影响因素中，吸热板选择性吸收涂层的发射率和保温层对减小热损失的作用最为明显。
　　 最后，针对国内缺乏对该系统实验研究的现状，搭建了菲涅尔反射系统的实验平台，实验测试了集热器的响应时间，在不同天气状况下测试了工质进出口温度、集热效率和火用效率，考察了流量和工质入口温度变化对集热性能的影响。由于集热器过于小型化，因此能量效率与理论值相比偏低，这也指出对于线性菲涅尔反射器的应用和研究应以大型化为主。