新型V 形接收体复合抛物面聚光器性能分析

0 引言

由于太阳能的能流密度较低，使得在光热利用过程中难以实现中、高温供能[1]。 通过太阳能聚光集热系统（槽式抛物面聚光集热系统、塔式太阳能聚光集热系统和碟式太阳能聚光集热系统等）可以获取高品位热能，但上述聚光集热系统在应用过程中须要配置精密的追日跟踪装置，导致投资成本较高，此外，还须要专业人员进行维护，因此，适合于规模化应用的场合。

1974 年，Winston 首次提出了槽式复合抛物面 聚 光 器 （Compound Parabolic Concentrator，CPC），并对其开展了实验研究，发现接收体与聚光器反射面的接触是导致接收体热损失增大的原因[2]。 槽式复合抛物面聚光器是一种基于边缘光学原理设计出的低聚光比非成像太阳能捕获装置，该装置可以将接收角范围内的入射光线按照理想聚光比传输到接收体上，此外，该装置除了可以接收直射光，还可以接收部分散射光[3]。 槽式复合抛物面聚光器焦斑处的接收体分为平板形接收体和圆柱形接收体[4]。 Zhang Gaoming 通过建立数学模型预测了平板接收体表面不均匀能流密度对线聚焦光伏光热装置性能的影响机理[5]。袁振华利用光学软件对圆柱型接收体的最佳位置进行了性能分析， 得到了采光口平面能流密度的分布情况[6]。陈飞提出了一种带有新型圆形接收体的太阳能复合抛物面聚光器，通过分析发现，新型聚光器中接收体表面上的能流分布比传统复合抛物面聚光器更均匀， 新型聚光器的平均光学效率达到了86.77%[7]。 车德勇对复合抛物面聚光器内真空玻璃管夹层的传热特性进行了理论分析和数值模拟，分析结果表明，当环形空间压力减小至1 Pa 时， 热损失不再受环形空间压力的影响，这可以作为CPC 内聚光式集热器结构参数优化的依据[8]。 Chen Fei 对比分析了外置复合抛物面聚光器玻璃真空管和普通玻璃真空管的总热效率，分析结果表明，外置复合抛物面聚光器玻璃真空管的总热效率为66.8%，高于普通玻璃真空管[9]。Messaouda 设计出了一种可实时对日跟踪的槽式复合抛物聚光太阳能储能装置，通过增设透明真空隔热接收体和自动夜间闭合机构减少了储能装置的散热损失，分析结果表明，该储能装置的热损失系数为4 W/K[10]。 马军利用Matlab 软件建立了复合抛物面聚光器模型，分析了聚光器的几何光学效率及其影响因素，分析结果表明，在实际应用中，应减小吸热管水平方向或垂直方向的偏移[11]。

复合抛物面太阳能聚光集热系统可以为建筑采暖、物料干燥等提供热能，在运行过程中，须要注意液体工作介质的渗漏、热涨、防冻和成本等问题[12]。采用空气作为工作介质时，可以避免上述问题。 因此，本文将带有V 形黑色不锈钢板的单层玻璃管作为复合抛物面聚光器的接收体，并利用光学仿真软件对V 形接收体复合抛物面聚光器内光线的传输情况进行光线追迹。 此外，还搭建了V 形接收体复合抛物面聚光器试验系统，在晴天条件下，测试了空气流速对接收体出口温度、腔内温度等参数， 并分析了空气流速与聚光器集热效率之间的关系， 为槽式复合抛物面聚光器的实际应用提供依据。

1 V 形接收体复合抛物面聚光器

对于以空气作为工作介质的复合抛物面聚光器， 采用玻璃真空管时， 会出现真空夹层光学损失，此外，玻璃真空管价格较高，安装精度要求也较高。复合抛物面聚光器属于内聚光型聚光器，接收体位于聚光器反射面的内部， 通过增设侧壁面并加盖玻璃盖板可以形成“温室效应”，从而有效减少聚光集热过程中聚光器的散热损失， 降低集热系统的建造成本和运维费用。

V 形接收体复合抛物面聚光器试验系统的结构以及聚光器的光学原理如图1 所示。

图1 V 形接收体复合抛物面聚光器试验系统的结构以及聚光器的光学原理
Fig.1 Structure diagram of performance testing device of compound parabolic concentrator with V type receiver

1-槽式复合抛物面聚光器；2-玻璃盖板；3-单层玻璃管；4-太阳辐照度表；5-风机；6-空气传输管；7-进料空气；8-数据采集仪；9-空气流速测试装置；10-热空气；11-三角支架；12-V 形不锈钢板；T1-玻璃盖板测温点；T2-聚光器腔内测温点；T3-接收体内空气测温点

由图1 可知，V 形接收体复合抛物面聚光器试验系统主要由槽式复合抛物面聚光器、空气传输管、气象测试系统、试验数据采集系统组成。其中，槽式复合抛物面聚光器的焦斑位置设置了V 形接收体，该接收体的开口方向与聚光器入光口方向平行。 试验数据采集系统包括温度测试装置、温度采集装置、空气流速测试装置和数据采集仪。 其中，温度测试装置采用K 型热电偶；温度采集装置采用多通道巡检仪（SINR6000C）； 空气流速测试装置采用热线风速计（TES-1340）。 此外，太阳能辐照度、环境温度等数据的测试装置采用手持气象参数测试仪（YGSC-1）。本文通过改变试验系统中风机的运行功率来改变空气的流速。

由图1 还可看出， 当太阳光正入射到聚光器时，入射到反射面AB 上、下两端点处的光线a，b，经反射后汇聚于聚光器内玻璃管中的黑色不锈钢板上， 则其他入射到反射面AB 的光线也均汇聚到黑色不锈钢板上。另外，入射到聚光器底部反射面CD 上的光线同样也汇聚到黑色不锈钢板上。当风机运行时，玻璃管内的空气发生流动，从而产生了热空气。

试验系统中槽式复合抛物面聚光器的几何尺寸是依据V 形接收体中玻璃管的几何尺寸优化设计而成。 V 形接收体复合抛物面聚光器试验系统的实物图如图2 所示。

图2 V 形接收体复合抛物面聚光器试验系统的实物图
Fig.2 Photograph of performance testing device of compound parabolic concentrator with V type receiver

由图2 可知，V 形接收体复合抛物面聚光器采用不锈钢支架，并在支架上敷设反射铝板，该铝板的反射率为0.8，侧壁面为弧形镀锌板，入光口设置了超白玻璃盖板。 聚光器入光口的宽度为0.7 m，长度为2 m，接收体为喷涂了可选择性吸收涂层的不锈钢板，厚度为0.5 mm，并安装在长度为2 m 的高透光单层玻璃管内。此外，V 形接收体复合抛物面聚光器试验系统的安装地点位于内蒙古呼和浩特市内蒙古工业大学太阳能光热产业示范基地（40°50′N，111°42′E）。

2 V 形接收体复合抛物面聚光器光学仿真

复合抛物面聚光器性能优劣取决于接收半角、接收体形状和反射率等因素。接收体是实现光热转化的核心部件， 利用光学仿真软件可以直观地得到聚光器内光线的传输情况， 可以实时地对接收体的形状特征、位置等进行优化。本文采用光学仿真软件中的光线追迹功能对光线进行模拟。计算过程中，光源出射光线被接收体吸收，光线的传播过程符合光学定律。光线追迹时，设定每条光线的出射点和接收点， 追迹光线在聚光器反射面上经过一次或多次反射后的汇聚情况， 判断接收体表面的能流是否符合设计要求。

本文利用SolidWorks 软件建立V 形接收体复合抛物面聚光器的三维几何模型， 然后将该模型导入到光学仿真软件LightTools 中， 并设定聚光器的入口宽度为0.7 m，模型内表面均为镜面反射，V 形不锈钢板为接收体，边长为87 cm，夹角为60°。鉴于日地距离对太阳光传输的影响，在仿真计算中，设定平面单向光源代替太阳，以模拟无限远的平行光传输，设置传输光线为100 条，则V形接收体复合抛物面聚光器内光线的追迹如图3所示。

图3 复合抛物面聚光器光线追迹图
Fig.3 Ray tracing of compound parabolic concentrator

由图3 可知， 入射到聚光器内的入射光线经复合抛物面聚光器反射后均汇聚于接收体表面，表明在实际应用中， 所设计的复合抛物面聚光器可以在太阳光正入射的情况下，在V 形接收体表面上实现光热转化，并对外输出热流体。

3 试验结果及分析

本文基于光学仿真结果，在晴天条件下，利用V 形接收体复合抛物面聚光器 （以下简称为聚光器）试验系统测试了接收体进、出口温度，聚光器腔内温度和玻璃盖板温度等参数， 分析了接收体内空气流速（以下简称为空气流速）对聚光器集热效率的影响。 测试时间为2019 年10 月7 日。

为了提高V 形接收体复合抛物面聚光器试验系统的测试精度， 选择测试日太阳辐照度变化较小的正午时分作为测试时段， 该测试日的空气质量等级为优，聚光器朝向为正南方向，并正对着入射太阳光。测试日，环境温度和太阳辐照度随时间的变化情况如图4 所示。

图4 测试日，太阳辐照度值和环境温度随时间的变化情况
Fig.4 Variation of solar irradiance and ambient temperature during the measurement

图5 不同空气流速下，接收体的进、出口温度随时间的变化情况
Fig.5 Variations of temperatures of the receiver inlet and outlet with operation time under different air velocity

不同空气流速Va 下，接收体进、出口温度随时间的变化情况如图5 所示。 由于不同空气流速下，接收体进口温度基本一致，因此，图中只给出了当空气流速为1.03 m/s 时的接收体进口温度。

由图5 可知，测试时间内，接收体出口温度随着空气流速的增加而降低。 当空气流速为1.03 m/s 时，接收体出口平均温度为69.7 ℃，比空气流速为3.03 m/s 时升高了25.9 ℃， 这是由于当空气流速较小时，空气在接收体内的停留时间较长，因此，能够进行充分换热。

在V 形接收体复合抛物面聚光器内选用单层玻璃管会导致高温运行时散热损失增加， 影响聚光器的集热效率。不同空气流速下，聚光器腔内温度随时间的变化情况如图6 所示。

图6 不同空气流速下，聚光器腔内温度随时间的变化情况
Fig.6 Variations of temperatures of the concentrator chamber with operation time under different air velocity

由图6 可知，空气流速逐渐减小，聚光器腔内温度逐渐升高。当空气流速为3.03 m/s 时，聚光器腔内平均温度为42.5 ℃，比空气流速为2.01，1.03 m/s 时， 分别降低了2.1，8.3 ℃， 均高于环境温度（25.9 ℃）， 表明聚光器腔内存在明显的 “温室效应”。

聚光器入光口处玻璃盖板的作用： ①保护聚光器内的易损部件，保证相关设备的性能；②玻璃盖板与聚光器构成了封闭腔体，当聚光器运行时，会产生“温室效应”，这样能够减弱单层玻璃管接收体对聚光器散热损失的影响， 并降低聚光器的建造成本。

聚光器中的玻璃盖板会吸收部分太阳辐射能， 并且会与接收体和腔内空气分别进行辐射传热和对流换热，并将所获得的热能散失到环境中，这是造成聚光器散热损失的原因之一，因此，须要分析空气流速对玻璃盖板温度的影响， 为进一步提高聚光器的性能提供参考。

不同空气流速下， 玻璃盖板温度随时间的变化情况如图7 所示。

图7 不同空气流速下，玻璃盖板温度随时间的变化情况
Fig.7 Variations of temperatures of the concentrator glass cover with operation time under different air velocity

由图7 可知，在测试时间内，玻璃盖板温度高于30 ℃，并且随空气流速的增大而降低。 当空气流速为1.03 m/s 时，玻璃盖板温度为36.8 ℃，比空气流速为2.01，3.03 m/s 时，分别升高了3，5.7 ℃。

不同空气流速下， 聚光器集热效率随时间的变化情况如图8 所示。

图8 不同空气流速下，聚光器集热效率随时间的变化情况
Fig.8 Variations of efficiency of the concentrator with operation time under different air velocity

由图8 可知，聚光器集热效率随着空气流速的增加而增大。当空气流速为3.03 m/s 时，聚光器平均集热效率为58.97%， 比空气流速为1.03 m/s时，增加了47.91%。 这是由于当接收体内空气流速较小时，接收体内空气温度的升高幅度较大，因此，接收体的散热损失较大，此外，随着空气流速逐渐增大，玻璃管内空气的流动状态由层流逐渐向紊流过渡，强化了流动空气与V 形不锈钢板之间的换热，因此，当空气流速增大时，聚光器的集热效率随之增加。

4 结论

为了便于对空气介质进行加热，本文设计了一种带有V 形接收体的复合抛物面聚光器，并利用光学仿真软件对聚光器内的光线进行追迹。 此外，通过试验测试了不同空气流速下，接收体进、出口空气温度，聚光器腔内温度，玻璃盖板温度的变化趋势，分析了接收体内空气流速对聚光器集热效率的影响，分析结果如下。

①通过光学仿真发现，入射光线均能够传输到V 形接收体上。

②接收体出口温度、聚光器腔内温度均随着空气流速增大而降低，玻璃盖板温度随着空气流速的减小而降低。 当空气流速为1.03 m/s 时，接收体出口平均温度为69.7 ℃， 比空气流速为3.03 m/s 时，升高了25.9 ℃；腔内平均温度为50.8℃，比空气流速为2.01 m/s 时，升高了6.2 ℃。

③聚光器集热效率随着空气流速的增大而增大，当空气流速为3.03 m/s 时，聚光器平均集热效率为58.97%，比空气流速为1.03 m/s 时，增加了47.91%。