1、摘要基于線性菲涅爾反射聚光的接收器優(yōu)化研究摘要太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件是接收器，承載著光熱轉(zhuǎn)換的能力，其性能好壞直接關(guān)系著系統(tǒng)溫度的提升，效率的提高。經(jīng)過(guò)對(duì)當(dāng)前幾種較經(jīng)常使用的太陽(yáng)能接收器，如直管式接收器、真空管接收器、空腔式接收器進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)直管式接收器和真空管接收器構(gòu)造較簡(jiǎn)單，而空腔式接收器能夠達(dá)到更高的系統(tǒng)溫度，吸熱效果更好。由于空腔式接收器中針狀放射形吸收體的加工和安裝所需的技術(shù)要求高，本文提出了一種新型結(jié)構(gòu)的吸收體，研究結(jié)果表明，與其他吸收體相比，此種構(gòu)造的吸收器可以達(dá)到良好的強(qiáng)化換熱的效果，系統(tǒng)效率也有所提高。對(duì)于真空腔吸收器而言，吸收器的效率與腔體內(nèi)壁溫度成正比，與外壁溫度

2、成反比，綜合提高內(nèi)壁熱吸收效率和降低外壁溫度，本文選用內(nèi)外普遍認(rèn)可的具有較高熱力學(xué)性能的的有機(jī)硅涂層材料作為腔體的結(jié)構(gòu)材料。此外，采用真空腔技術(shù)，大大降低了腔體外壁的溫度，系統(tǒng)效率也有所提高。最后，本文對(duì)接收器的幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，探究了腔體吸收器在不同幾何尺寸下的熱性能。綜上所述，優(yōu)化后的腔體接收器應(yīng)用于基于線性菲涅爾反射鏡聚光器系統(tǒng)中，能夠有效的聚集太陽(yáng)能，提高太陽(yáng)能集熱器的效率，降低生產(chǎn)成本，發(fā)展前景廣闊。 關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能，菲涅爾反射鏡，聚光器，腔體接收器，優(yōu)化62AbstractAbstractThe receiver is the central part of sola

3、r thermal power system, responsible for bearing the solar-thermal conversion, its performance is directly related to ascense temperature, improve efficiency of the system. After comparing of several receiver of more often used for the current, such as straight pipe receiver , vacuum receiver, cavity

4、 receiver, it found that the straight pipe receiver and vacuum receiver is relatively simple in structure, and the cavity receiver can achieve higher temperature of the system, heat absorption effect is better. Due to high technical requirements is equired of the cavity receiver absorber fabrication

5、 and installation in needle distribution , this paper puts forward a absorber of new type structure ,the research results show that, compared with other absorber, this structure the structure of the absorber can achieve good effect of strengthening heat transfer, the system efficiency is also improv

6、ed. For vacuum chamber absorber, the efficiency of the absorber is proportional to the cavity wall temperature in the body, and inversely proportional to the outer wall temperature, composite wall heat absorption efficiency and decrease the temperature of the outer wall, this paper chooses widely re

7、cognized both inside and outside has higher thermodynamic properties of the silicone coating material as the structure of the cavity. In addition, the vacuum chamber technology, greatly reduce the cavity wall temperature, in vitro system efficiency is also improved. Finally, the optimization design

8、in this paper, the geometric sizes of the receiver, explores the cavity absorber thermal performance under different geometry size. To sum up, the optimized cavity receiver applied to based on linear Fresnel reflector concentrator system, effectively gather solar energy, improve the efficiency of th

9、e solar collector, reduce production cost, broad prospects for development. Keywords: Solar, photovoltaic, Fresnel reflecting mirror, a condenser, a receiver, optimization目錄目 錄基于線性菲涅爾反射聚光的接收器優(yōu)化研究1摘要IAbstract錯(cuò)誤！未定義書簽。第1章 緒論11.1引言11.2線性菲涅耳反射式(LFR)聚光器研究現(xiàn)狀21.3基于線性菲涅耳反射(LFR)聚光器的腔體接收器的研究現(xiàn)狀31.4本文的主要研究?jī)?nèi)容6第2

10、章線性菲涅爾太陽(yáng)能反射聚光器理論分析72.1線性菲涅耳聚光系統(tǒng)跟蹤傾角幾何矢量算法82.1.1 LFR跟蹤傾角算法82.2菲涅爾太陽(yáng)能聚光器光學(xué)矢量分析102.2.1矢量計(jì)算102.3聚光系統(tǒng)理論分析122.3.1無(wú)量綱參數(shù)132.3.2理論聚光比142.3.3面積利用率162.4本章小結(jié)17第3章菲涅爾反射式太陽(yáng)能集熱器腔體接收器集熱性能183.1引言183.2基于腔體吸收器的太陽(yáng)能聚光能量系統(tǒng)熱力學(xué)分析183.2.1聚焦式太陽(yáng)能系統(tǒng)的熱力過(guò)程183.2.2基于腔體吸收器熱效率熱力學(xué)分析193.3腔體吸收器性能研究213.3.1概述213.3.2四種腔體吸收器的結(jié)構(gòu)223.3.3 四種腔體吸

11、收器的光學(xué)性能模擬233.3.4吸收器熱效率的模擬測(cè)試錯(cuò)誤！未定義書簽。3.3.5 四種腔體吸收器熱損失的理論研究283.4腔體吸收器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化303.4.1三角形腔體吸收器303.4.2正方形腔體吸收器33第4章菲涅爾反射式太陽(yáng)能集熱器腔體吸收器集熱性能184.1線聚焦三角腔體吸收器的熱性能364.1.1數(shù)學(xué)模型錯(cuò)誤！未定義書簽。4.1.2物性參數(shù)384.1.3邊界條件的設(shè)定394.1.4網(wǎng)格劃分和求解模型394.1.5模擬結(jié)果及分析404.2 點(diǎn)聚焦三角腔體吸收器的熱性能分析444.2.1 數(shù)學(xué)模型及邊界條件的設(shè)定444.2.2網(wǎng)格劃分和求解模型454.2.3模擬結(jié)果及分析464.3 本章

12、小結(jié)49結(jié)論50致謝52 第1章 緒論第1章 緒論1.1引言 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不斷加快,能源的消耗日益增加。據(jù)統(tǒng)計(jì),按照現(xiàn)有的儲(chǔ)量和開采速率估計(jì),傳統(tǒng)能源(例如煤炭、石油、天然氣)只能維持一百多年1。大量的開采使用和浪費(fèi)導(dǎo)致能源供應(yīng)短缺和價(jià)格上漲，從而制約著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。大力發(fā)展可再生能源,提高傳統(tǒng)能源的利用率,用可再生能源取代化石能源,是緩解能源危機(jī)的長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略。而隨著能源危機(jī)的日益嚴(yán)峻，人類在節(jié)約能源提高傳統(tǒng)化石能源利用效率的同時(shí)，也必須大力開發(fā)新能源太陽(yáng)能作為可再生能源的一種，在節(jié)約常規(guī)能源保護(hù)自然環(huán)境減緩氣候變化中有極大的意義。我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的階段，對(duì)能源供應(yīng)提出了更高的要求，加

13、快開發(fā)利用可再生能源已成為我國(guó)應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的能源環(huán)境問(wèn)題的必由之路。可再生能源是指自然界中可以不斷再生，永續(xù)利用的能源，具有取之不盡，用之不竭的特點(diǎn)，主要包括太陽(yáng)能，風(fēng)能，水能，生物質(zhì)能，地?zé)岷秃Ｑ竽艿?。可再生能源對(duì)環(huán)境的危害最小,甚至沒有危害,并且分布較為廣泛。在各種可再生能源中,太陽(yáng)能是最根本的能源,使用最為普遍,儲(chǔ)量最為豐富,對(duì)環(huán)境污染少,被稱為永久的能源,受到各國(guó)重視。太陽(yáng)能(Solar Energy) 般是指太陽(yáng)福射能,是地球生物賴以生存的能量源泉。太陽(yáng)能的利用有多種途徑,現(xiàn)有的石油、煤炭,綠色植物等資源都可以視為太陽(yáng)能的間接利用。太陽(yáng)能占新能源總量大部分,是新能源的主體。近半個(gè)世

14、紀(jì)以來(lái),特別是近三十年來(lái),太陽(yáng)能的研究越來(lái)越受到人們的重視,也取得了階段性成果,例如太陽(yáng)能熱水器、光伏電池板、太陽(yáng)能建筑一體化、太陽(yáng)熱發(fā)電等等。要實(shí)現(xiàn)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為可代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源的主要能源，現(xiàn)有技術(shù)還是存在著諸多缺點(diǎn)，如：成本高，效率低，設(shè)備維護(hù)困難等問(wèn)題。2011年12月，國(guó)家能源局發(fā)布了可再生能源十二五規(guī)劃明確了將太陽(yáng)能熱發(fā)電作為一個(gè)發(fā)展的重點(diǎn)，目標(biāo)在太陽(yáng)能日照條件好可利用土地廣具備水資源條件地區(qū)，開展熱發(fā)電項(xiàng)目的示范，并于2015年達(dá)到1000MW的發(fā)電規(guī)，同時(shí)規(guī)劃中還提出了進(jìn)行太陽(yáng)能海水淡化以及太陽(yáng)能采暖制冷試點(diǎn)示范，為利用可再生能源解決沿海城市缺水問(wèn)題和大規(guī)模中高溫工業(yè)應(yīng)用摸索經(jīng)驗(yàn)相

15、關(guān)鼓勵(lì)政策的出臺(tái)，將有力促進(jìn)太陽(yáng)能光熱技術(shù)在我國(guó)的研究與應(yīng)用2。太陽(yáng)能熱利用根據(jù)溫度范圍不同大致可以分為低溫，中溫，高溫利用。低溫利用主要指溫度小于80°C的范圍的應(yīng)用，主要有太陽(yáng)能熱水，太陽(yáng)能供暖和太陽(yáng)能除濕空調(diào)等；中溫?zé)崂脺貐^(qū)在80°C到250°C，主要的應(yīng)用形式包括太陽(yáng)能制冷，太陽(yáng)能鍋爐和太陽(yáng)能海水淡；高溫利用主要指250°C以上溫區(qū)的太陽(yáng)能利用，主要包括太陽(yáng)能熱發(fā)電。太陽(yáng)能熱利用方式太陽(yáng)能具有取之不盡，用之不竭清潔等優(yōu)勢(shì)，但是由于太陽(yáng)能能流密度較低（大氣層外圍1353 W/m2),在地面一般小于W/m2）,能量品位不高，并存在晝夜的間歇性的缺點(diǎn)

16、。采用跟蹤聚光型太陽(yáng)能集熱器，可以獲得較高品質(zhì)的熱能。因此，利用聚焦技術(shù)可以提高太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換溫度，能夠?qū)崿F(xiàn)太陽(yáng)能在中高溫領(lǐng)域的應(yīng)用在太陽(yáng)能中高溫利用中。聚焦型太陽(yáng)能集熱器分為點(diǎn)聚焦和線聚焦兩類，點(diǎn)聚焦有碟式和塔式，線聚焦有槽式和線性菲涅耳式，能獲得較高熱能，是高品質(zhì)熱源，屬于中高溫應(yīng)用。在太陽(yáng)能中高溫利用中，目前的主要研究方向是中溫太陽(yáng)能工業(yè)加熱、太陽(yáng)能制冷與空調(diào)和太陽(yáng)能高溫?zé)岚l(fā)電技術(shù)。槽式和線性菲涅耳式屬于線性聚光，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。碟式和塔式屬于點(diǎn)聚焦，由于成本高且具有很高的技術(shù)難度一直處于示范階段。因此，線聚焦太陽(yáng)能集熱器在中高溫利用方面占有重要地位。線性菲涅爾太陽(yáng)能集熱器主要由

17、光學(xué)聚光器、接收器、太陽(yáng)跟蹤控制裝置三部分構(gòu)成，其接收器核心部件是吸收器3。現(xiàn)研究的吸收器主要有兩種：真空管吸收器和腔體吸收器。真空管吸收器由表面鍍有選擇性膜層的金屬內(nèi)管和玻璃外套管組成，內(nèi)管與外管之間為真空，以減少對(duì)流和導(dǎo)熱損失，通常稱為槽式真空集熱管。真空集熱管對(duì)陽(yáng)光的吸收率高，工作時(shí)的發(fā)射率低。但是，為了保持其長(zhǎng)期高真空度及選擇性涂層的穩(wěn)定，金屬管與玻璃管間封接技術(shù)要求高，工藝復(fù)雜，制作成本相對(duì)較高4。腔體吸收器結(jié)構(gòu)為一槽式腔體，腔體內(nèi)壁涂有選擇性涂層，外壁包裹隔熱材料。腔體吸收器與真空管相比，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，經(jīng)聚焦的輻射熱流幾乎均勻地分布在腔體內(nèi)壁，具有較低的投射輻射能流密度，開口有效溫

18、度的降低使得熱損失也隨著降低，有較好的熱穩(wěn)定性5，腔體吸收器的腔體內(nèi)壁溫度較為平均，有效減小了內(nèi)壁與工作流體間的溫差，腔體開口有效溫度降低，進(jìn)而熱損失降低6；腔體吸熱器吸收熱量過(guò)程發(fā)生在焦點(diǎn)后，因?yàn)槠鋬?nèi)表面積足夠大，向工作流體傳熱效果較好7，而且在同樣工況下，流體平均溫度大于230時(shí)，應(yīng)用腔體吸收器的集熱效率大于真空管8。現(xiàn)研究表明腔體吸收器較真空管吸收器經(jīng)濟(jì)效益更好，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中更有優(yōu)勢(shì)。1.2線性菲涅耳反射式(LFR)聚光器研究現(xiàn)狀線性菲涅爾反射(Linear Fresnel Reflector簡(jiǎn)稱LFR)聚光器,由多組水平布置的窄帶形平面鏡構(gòu)成,每組反射鏡都有一定的傾角,將入射的太陽(yáng)光反

19、射到公共的焦線上9。接收器安裝在反射鏡的公共交點(diǎn)處，吸收聚焦的太陽(yáng)能。LFR聚光器采用固定的接收器、微彎的平面反射鏡,具有大聚光比、低風(fēng)載穩(wěn)定性以及占地面積小等優(yōu)點(diǎn),降低了單位峰值功率的投資成本和發(fā)電成本。LFR聚光器可用于大型太陽(yáng)能熱發(fā)電,小型蒸汽發(fā)電工程,蒸汽式制冷工程等9。 線性菲涅爾反射式熱發(fā)電系統(tǒng)主要由線性反射鏡陣列接收器和發(fā)電系統(tǒng)組成線性反射鏡陣列將太陽(yáng)光匯聚到位于焦點(diǎn)接收器，在接收器中太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化成熱能被接收器中流動(dòng)的工質(zhì)將熱量帶走，供用熱端使用，從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換，其鏡場(chǎng)實(shí)際上是離散的拋物槽式太陽(yáng)能反射鏡陣列用線性平面鏡代替拋物鏡面能降低加工難度，減低成本，地面利用

20、率高。拋物槽式集熱器最大的不同在于，菲涅爾反射鏡太陽(yáng)能集熱器的接收器可以固定不隨跟蹤機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，減少了對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求，并降低了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的耗電量。二十世紀(jì)六十年代，Giorgio Francia10,11首先提出了雙軸跟蹤線聚焦菲涅爾反射鏡太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，隨后，Choudhury，Negi，Goswami等人12-16對(duì)菲涅爾反射鏡太陽(yáng)能集熱器結(jié)合不同接收器的光學(xué)性能和熱性能進(jìn)行了詳細(xì)的理論與實(shí)驗(yàn)研究以色列的Paz公司在二十世紀(jì)九十年代對(duì)采用CPC二次聚光器和真空管式接收器進(jìn)行了深入研究發(fā)現(xiàn)了線性菲涅爾反射鏡太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)存在一個(gè)主要問(wèn)題：相鄰的反射鏡容易互相遮擋，要克服這一問(wèn)題就要增加相鄰反射

21、鏡陣列的間距和太陽(yáng)能接收器的高度，這直接導(dǎo)致了集熱器占地面積變大接收器安裝維護(hù)難度增加等問(wèn)題為解決該問(wèn)題17。澳大利亞悉尼大學(xué)的Mills等人18提出了緊湊式線性菲涅爾反射鏡太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，在一個(gè)反射鏡陣列布置兩個(gè)太陽(yáng)能接收器，采用這種方案可以在一定程度上解決反射鏡相互遮擋的問(wèn)題，且該方案可以用于大規(guī)模太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)和太陽(yáng)能工業(yè)加熱系統(tǒng)。1.3基于線性菲涅耳反射(LFR)聚光器的腔體接收器的研究現(xiàn)狀早在上世紀(jì)七八十年代，當(dāng)人們對(duì)玻璃金屬真空管吸收器的研究深入到一定的程度，許多學(xué)者轉(zhuǎn)而研究沒有真空夾層的腔體吸收器。1976年Boyd19提出了沒有真空夾層的圓柱形腔體吸收器，光線接

22、收面為圓柱的一個(gè)底面，導(dǎo)熱液體在環(huán)形圓槽內(nèi)流動(dòng)，圓柱的外壁包裹以保溫材料以減小熱損失。八十到九十年到，許多學(xué)者對(duì)這一類型結(jié)構(gòu)的腔體吸收器進(jìn)行了研究，但當(dāng)時(shí)的腔體吸收器的結(jié)構(gòu)單一，在中溫應(yīng)用中熱效率不高，對(duì)其的研究很快被擱置了。雖然只是曇花一現(xiàn)，但提出沒有真空夾層的腔體吸收器的想法卻是為后來(lái)腔體吸收器的創(chuàng)新、完善、應(yīng)用做出了貢獻(xiàn)。近年來(lái)線性菲涅爾反射聚光器被提出，與真空管吸收器相比腔體吸收器與其結(jié)合更有優(yōu)勢(shì)，腔體吸收器的研究又被提到研究熱點(diǎn)上。針對(duì)不同腔體吸收器，菲涅爾聚光器的設(shè)計(jì)也不相同。林蒙20根據(jù)前人在塔式腔體吸收器上的進(jìn)展與不足，提出了出了兩種基于腔體吸收器的菲涅爾反射式聚焦型太陽(yáng)能集熱

23、器模型。一種是利用單軸跟蹤的線聚焦反射鏡聚光器，腔體吸收器為三角形結(jié)構(gòu)，腔體內(nèi)壁上安裝緊密排列的銅圓管。另一種利用雙軸跟蹤的點(diǎn)聚焦菲涅爾反射鏡聚光器，采用圓弧形二次聚光裝置將光線聚集于安裝在地面上的圓錐空腔腔體吸收器內(nèi)。兩種模型分別有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。作者還從實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算量方面得出兩種腔體吸收器的最大光學(xué)效率即太陽(yáng)光線垂直入射在反光鏡上時(shí)，分別為77.46%，65%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果誤差不大。研究以腔體接收器作為吸收器的線性菲涅爾集熱器中熱損失中輻射熱損失占主導(dǎo)地位，而腔體吸收器的底端開口處為主要的熱損失通道。腔體吸收器底端開口處通常分為無(wú)蓋板和有蓋板。S.Flores Larsen21研究用

24、于線性菲涅爾反射聚光器的空腔梯形腔體和內(nèi)部有一套管的腔體腔體接收器的熱量損失。測(cè)量顯示梯形腔體的上部的和下部對(duì)流區(qū)穩(wěn)定度相對(duì)穩(wěn)定，91%左右的熱轉(zhuǎn)移發(fā)生在底部的透明窗口處，腔體吸收器的熱損系數(shù)與其內(nèi)部的平均溫度成正相關(guān)。R.Manikumar22通過(guò)數(shù)值模擬與與實(shí)驗(yàn)研究分析得出結(jié)合線性菲涅爾作為聚光器的梯形腔體吸收器有蓋板的較之無(wú)蓋板的總熱損失系數(shù)更小。戴貴龍23等人建立了具有石英窗口的太陽(yáng)能高溫吸收器的能量傳遞與轉(zhuǎn)換模型，分析得出吸熱腔溫度分布對(duì)熱轉(zhuǎn)換效率有顯著影響，腔體內(nèi)溫度分布峰值離太陽(yáng)入射窗口越遠(yuǎn)，效率越高。其他條件相同時(shí)，增大幾何聚光比，將地?zé)徂D(zhuǎn)換溫度，提高壁面吸收率可提高熱轉(zhuǎn)換效率

25、。腔體吸收器的幾何結(jié)構(gòu)也是影響其熱損失的一個(gè)主要方面，不同幾何結(jié)構(gòu)的腔體吸收器的熱損，熱遷移因子，效率因子各不相同，這些運(yùn)行參數(shù)與性能指標(biāo)也是影響集熱器參數(shù)的重要條件。J Facao24等人對(duì)運(yùn)用梯形結(jié)構(gòu)腔體吸收器的線性菲涅爾反射鏡太陽(yáng)能集熱器的光學(xué)性能以及熱性開展了全面研究。得出集熱溫度從110升至285時(shí)，熱損失系數(shù)增加了2.96 W/(m2K)。謝文韜25提出了基于線性菲涅爾反射鏡聚光器的八種結(jié)構(gòu)的腔體吸收器，三角形，圓弧形，半圓形，長(zhǎng)方形，正梯形，反梯形，復(fù)合梯形，曲面形，利用TracePro軟件的光線跟蹤，模擬出八種腔體吸收器內(nèi)部的光線及熱量分布，得出的能量分布圖。研究結(jié)果顯示，采用

26、圓弧形腔體吸收器、長(zhǎng)方體形腔體吸收器、正梯形腔體吸收器、復(fù)合梯形腔體吸收器和曲面形腔體吸收器的線聚焦菲涅爾透鏡太陽(yáng)能集熱器具有較好的光學(xué)性能，從腔體開口射入的光線經(jīng)過(guò)腔體內(nèi)壁面的多次反射和吸收，沒有光線逸出腔體吸收器，而其它三種線聚焦腔體吸收器或多或少有光線從腔體開口處逸出。但是，考慮腔體吸收器內(nèi)的能量分布，則等邊三角形腔體吸收器和圓弧形腔體吸收器內(nèi)部的能量分布比其它六種腔體吸收器要均勻，能夠得到較好的熱性能。圓弧形腔體吸收器與三角形腔體吸收器相比，內(nèi)部能量分布出現(xiàn)了斷層，能量密度不如三角形的高，綜合考慮采用三角形的線聚焦菲涅爾反射鏡太陽(yáng)能集熱器最優(yōu)。X wei26對(duì)八種不同結(jié)構(gòu)類型的腔體吸收

27、器進(jìn)行計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，對(duì)線聚焦菲涅耳透鏡的太陽(yáng)能集熱器，三角形空腔接收器顯示出最佳的熱性能。運(yùn)行溫度為180時(shí)最高的實(shí)驗(yàn)的散熱系數(shù)約為0.805 W/(m2K)。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外多位學(xué)者的研究，基本可以確定但從幾何結(jié)構(gòu)考慮，具有三角形結(jié)構(gòu)的腔體接收器較之其他結(jié)構(gòu)的腔體具有最優(yōu)的熱性能。雖然謝文韜在模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)了三角形腔體吸收器的頂端由于被遮擋，不能接收到太陽(yáng)光線，但是沒有再對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，后來(lái)的研究者都沒有考慮到這個(gè)問(wèn)題。另外，腔體吸收器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)又分為管簇式和環(huán)套式。Barra27等人設(shè)計(jì)一種管簇與內(nèi)壁不相聯(lián)的的腔體吸收器，但由于腔體開口對(duì)管簇的視角系數(shù)較小，大部分聚焦后的

28、陽(yáng)光直接照射到腔體內(nèi)，使得內(nèi)壁溫度較高，熱損較大。針對(duì)該點(diǎn)不足，侴喬力28-30在Barra的吸收器基礎(chǔ)上提出了使管簇和內(nèi)壁緊密連接的方案，將腔體作為管子的翅片。李進(jìn)等31建立了一種環(huán)套結(jié)構(gòu)腔體式吸收器，環(huán)套結(jié)構(gòu)的腔體式吸收器內(nèi)部的流道由半徑不同的兩個(gè)圓圍成。翟輝32對(duì)采用真空管式吸收器、三角形、正方形等四種腔體吸收器的線聚焦非涅爾透鏡太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)同等條件下水作為傳熱工質(zhì)時(shí)，采用真空管式吸收器和三角形腔體吸收器集熱溫度90時(shí)，真空管吸收器效率為50%，腔體吸收器則低于40%，分析得知在低溫域由于腔體吸收器熱損失較大，集熱效率低于真空管。同時(shí)發(fā)現(xiàn)采用水做為導(dǎo)熱介質(zhì)比采用油

29、等其它比熱容高的導(dǎo)熱液體的熱損小，效率更高。M.Lin33等利用簡(jiǎn)化的光線追蹤技術(shù)來(lái)優(yōu)化的線性菲涅爾集熱器系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)模型，利用CAD模擬計(jì)算，考慮到熱傳導(dǎo)，對(duì)流與輻射的熱損失，結(jié)果得出腔體接收器熱表面溫度從90到150時(shí)，腔體吸收器的總熱損系數(shù)從6.25 W/(m2K)變化到7.52 W/(m2K)，熱效率從45%降到37%。Singh34等人研究了采用梯形形結(jié)構(gòu)腔體吸收器的線性菲涅爾集熱器，其吸收面采用方管和圓管束兩種形式，實(shí)驗(yàn)分析得知，圓管束吸熱面集熱效率要高于方管吸熱面。J He35等人利用光線追蹤和幾何光學(xué)分析，改變菲涅爾反射鏡面寬度和吸收器高度，進(jìn)而對(duì)太陽(yáng)能聚光器光學(xué)性能影響因素

30、進(jìn)行全面理論研究，切實(shí)對(duì)吸收器的優(yōu)化設(shè)計(jì)做出了一定貢獻(xiàn)。1.4本文的主要研究?jī)?nèi)容線性菲涅爾聚光器優(yōu)點(diǎn)突出,有很大的發(fā)展空間，配置腔體吸收器，市場(chǎng)前景廣闊。本文主要針對(duì)基于線性菲涅爾反射鏡聚光器的腔體接收器的熱性能進(jìn)行了模擬和理論研究，優(yōu)化了腔體吸收器的熱性能。本文的主要內(nèi)容如下：論文首先介紹了菲涅爾反射鏡及其歷史、發(fā)展、分類，詳細(xì)闡述了其光學(xué)原理，根據(jù)聚光器設(shè)計(jì)原理,對(duì)線性菲涅耳反射聚光器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。 其次，介紹了基于線性菲涅爾聚光器的腔體吸收器的發(fā)展，結(jié)構(gòu)，熱性能，不足。再次根據(jù)太陽(yáng)能中溫利用溫度要求和聚光器的光學(xué)性能，設(shè)計(jì)了一類腔體接收器，利用數(shù)值方法對(duì)腔體接收器中的傳熱機(jī)理和熱損進(jìn)行

31、了模擬和理論分析。第2章 線性菲涅爾太陽(yáng)能反射聚光器理論分析第2章 線性菲涅爾太陽(yáng)能反射聚光器理論分析眾所周知,太陽(yáng)能轄射能流密度較低。研制出成本低、效率高、高穩(wěn)定性的聚焦器,是提高太陽(yáng)能利用效率與實(shí)際利用價(jià)值的唯一途徑,能夠進(jìn)一步促進(jìn)太陽(yáng)能的廣泛應(yīng)用36。傳統(tǒng)聚光器有槽式、碟式、塔式以及菲涅爾透鏡式等聚光器,目前,槽式、碟式和塔式太陽(yáng)能聚光器是應(yīng)用最為廣泛的聚光器。槽式、碟式聚光器需要加工復(fù)雜的曲面反射面,價(jià)格較貴,加工精度要求較高,焦平面能流密度分布不均勻；為了盡可能增大聚光倍數(shù),塔式系統(tǒng)需要眾多定曰鏡圍繞中心塔建立,占地面積巨大,并且每個(gè)定日鏡需要單獨(dú)二維控制,控制系統(tǒng)極其復(fù)雜；菲涅耳太

32、陽(yáng)能聚光器雖然價(jià)格便宜,但是目前難以做成單塊大面積的產(chǎn)品,且聚光均勻性也較差。而聚光光強(qiáng)的均勻性對(duì)聚光光伏發(fā)電效率影響十分強(qiáng)烈,光強(qiáng)分布不均會(huì)造成弱光強(qiáng)照射處的光電池反而變成負(fù)載,導(dǎo)致電能內(nèi)耗并引起溫升等嚴(yán)重問(wèn)題太陽(yáng)福射本身是立體角約為的近似平行光,其直射輻射能流密度分布均勻,通過(guò)平面鏡反射太陽(yáng)直射光可以獲得能流分布均勻的光斑。黃國(guó)華37等設(shè)計(jì)了一種利用方形玻璃鏡組成的陣列結(jié)構(gòu)的平板型成像型聚光器,可以獲得能流分布均勻的焦平面,但由于釆用相同大小的玻璃鏡且每一塊的角度均不同,因此焦斑形狀不規(guī)則組裝調(diào)試復(fù)雜。江守利38等提出了一種折平板式平面玻璃鏡反射聚光系統(tǒng),可以獲得均勻的能流密度。線性菲涅耳

33、太陽(yáng)能聚光熱發(fā)電技術(shù)以其特有的優(yōu)點(diǎn)得到了越來(lái)越多的關(guān)注，用其進(jìn)行太陽(yáng)能熱發(fā)電正在逐漸得到大規(guī)模的應(yīng)用39。然而，目前并沒有詳細(xì)的關(guān)與LFR技術(shù)的光學(xué)聚光理論，所以，本章首先利用幾何矢量法，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的幾何推導(dǎo)，計(jì)算出線性菲涅爾反射鏡的旋轉(zhuǎn)傾角，用以菲涅爾反射鏡的跟蹤控制，以使目前的太陽(yáng)位置算法得到的太陽(yáng)高度角與方位角能直接用于LFR特有的單軸反射定位跟蹤控制，控制系統(tǒng)將太陽(yáng)高度角、方位角代入旋轉(zhuǎn)傾角計(jì)算公式，用計(jì)算結(jié)果控制電機(jī)將鏡元旋轉(zhuǎn)到位，使太陽(yáng)入射光反射到線性焦點(diǎn)上（接收器所在位置）。然后利用矢量法，導(dǎo)出適用于LFR的入射角、反射位置、跟蹤傾角，反射光方位角、高度角等有關(guān)角度、位置的計(jì)算公式

34、，可方便鏡場(chǎng)的接收輻射量計(jì)算、遮擋計(jì)算、跟蹤計(jì)算、安裝尺寸優(yōu)化等問(wèn)題的解決，并利用太陽(yáng)位置矢量算法，結(jié)合公式，計(jì)算了各量的變化情況，用圖示方法明確了該類系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)及光學(xué)基本特性。2.1線性菲涅耳聚光系統(tǒng)跟蹤傾角幾何矢量算法2.1.1 LFR跟蹤傾角算法線性菲涅爾（LFR）聚光器為單軸跟蹤，吸收器固定不動(dòng)，需要線性菲涅爾反射鏡精準(zhǔn)的跟蹤太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡移動(dòng)，因每一個(gè)鏡元都是獨(dú)立的跟蹤系統(tǒng)，每一個(gè)鏡元到吸收器的距離也各不相同，因此需要保證每一塊鏡元反射的太陽(yáng)光都能聚焦到焦線處，每一片鏡元都必須保持足夠的跟蹤精度，以保證線性菲涅爾聚光器的光學(xué)效率最大。這就必須對(duì)通常計(jì)算得到的太陽(yáng)高度角、方位角進(jìn)一步計(jì)算

35、，得到相應(yīng)鏡元的跟蹤旋轉(zhuǎn)傾角。圖2-1是太陽(yáng)位置矢量幾何分解示意圖。圖2-1太陽(yáng)位置矢量幾何分解示意圖。如圖，AC為線性菲涅爾反射鏡聚光器的任意一個(gè)鏡元的軸線，SC為通過(guò)軸線的任意一條太陽(yáng)光線，由文獻(xiàn)40-43知，水平放置的吸收器，只要保證每一個(gè)鏡元中線處能將太陽(yáng)能光線反射到接收器處，鏡元其他處必能將太陽(yáng)光線反射至接收器處。光線SC由矢量分解可分解SA,AC，AC的方向向量與鏡元平行，不考慮反射光線，因此只考慮SA方向上的光線分量。為了保證SA方向上的光線分量的反射光線能進(jìn)入腔體吸收器，假設(shè)鏡元沿軸旋轉(zhuǎn)了角（跟蹤傾角），如圖2-2所示。圖2-2鏡元傾角p計(jì)算示意圖設(shè)H為吸熱器距鏡元旋轉(zhuǎn)軸平面的

36、垂直距離，d為吸熱器距鏡元旋轉(zhuǎn)軸平面的水平距離，為太陽(yáng)高度角，為太陽(yáng)方位角，由圖2-2可得如下關(guān)系: （2.1）通過(guò)上面式子可以得出： （2.2）繼而可以得到： （2.3）最后可以得到： （2.4）由式(2.4)可知，鏡元的跟蹤角與， ， H， d有關(guān)。在設(shè)計(jì)線性菲涅爾反射鏡聚光裝置的控制系統(tǒng)時(shí)，輸入上述控制式，給出每一片鏡元的控制因數(shù)，再根據(jù)不同地區(qū)的太陽(yáng)高度角和方位角，可以使反射鏡的每一片鏡元可以精確跟蹤太陽(yáng)，將太陽(yáng)光線反射到吸收器處。上述理論計(jì)算是基于吸收器東西兩側(cè)的鏡元，將鏡元的水平距離d定義為負(fù)另值， e角換算至0-180°范圍，上式(2.4)也適用于吸熱器南北兩側(cè)的鏡元。

37、2.2菲涅爾太陽(yáng)能聚光器光學(xué)矢量分析上節(jié)利用幾何分解方法得到LFR系統(tǒng)跟蹤傾角計(jì)算公式，公式簡(jiǎn)單明了，但是推導(dǎo)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。本節(jié)通過(guò)矢量法，進(jìn)一步給出線性菲涅耳反射裝置任一鏡元的入射角、反射位置、反射光方位角/高度角、跟蹤傾角公式，更好的應(yīng)用于線性菲涅爾聚光器中。2.2.1矢量計(jì)算LFR裝置在設(shè)計(jì)時(shí)一般需根據(jù)入射角計(jì)算得到的輻射量，根據(jù)反射光在吸收器的位置來(lái)計(jì)算聚光比，根據(jù)反射光方向計(jì)算遮擋問(wèn)題，根據(jù)跟蹤傾角控制電機(jī)使鏡元旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)位置。下面就東西水平布置，南北跟蹤，吸熱器水平布置的LFR裝置，用矢量法計(jì)算任一鏡元的入射角、反射位置、跟蹤傾角公式。圖2-3是線性菲涅爾聚光裝置光學(xué)反射矢量示意圖

38、。圖2-3 LFR聚光裝置光學(xué)反射矢量示意圖太陽(yáng)方向，鏡元法線，反射矢量分別用S,N,R表示。i,j,k分別為正東，正北，天頂方向的單位矢量。下標(biāo)s、r、z、n、e分別表示太陽(yáng)矢量，反射矢量，天頂，北，東方向分量，為鏡元傾角(鏡面朝南為正，鏡面朝北為負(fù))。為鏡元旋轉(zhuǎn)軸與吸收器的垂直距離，為吸收器到地面的垂直高度，為A點(diǎn)光線反射到吸熱器上的焦點(diǎn)距坐標(biāo)原點(diǎn)東西方向的垂直距離，稱為偏移。有矢量分解得： （2.5）其中： （2.6） 由矢量算法有： （2.7）將（2.6）帶入（2.7）式可得： （2.8）由圖可知： (2.9)將S、N代入上式右側(cè)項(xiàng)，得： 2.10而以上兩式子的各對(duì)應(yīng)分量應(yīng)相等，因此：

39、 （2.11）當(dāng)吸熱器高度H，鏡元距吸熱器垂直距離d已知時(shí)，即、已知，由上式可以推出A點(diǎn)的反射光在吸熱器上的坐標(biāo)。 （2.12）進(jìn)而可得： （2.13） （2.14）從而可以推得： （2.15）最終鏡元的跟蹤傾角為： （2.16）2.3聚光系統(tǒng)理論分析通過(guò)上兩節(jié)的公式推導(dǎo)與分析計(jì)算，得到了LFR鏡場(chǎng)南北分布與東西分布的跟蹤與光學(xué)幾何公式，并對(duì)其光學(xué)特性從理論上有了深入的了解，具備了對(duì)LFR系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)性能分析的必要工具。眾所周知，聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中太陽(yáng)跟蹤控制扮演著重要的角色，只有聚光器鏡面精確的跟蹤太陽(yáng)，才能確保被聚集的太陽(yáng)輻射指向吸熱器，不精確的跟蹤將導(dǎo)致熱流密度分布質(zhì)量變差，影響系統(tǒng)

40、整個(gè)性能，甚至偏離吸熱器。考慮一個(gè)聚光器，除了要求其制造工藝簡(jiǎn)單，風(fēng)阻較小，在同等條件（如發(fā)電功率）下制造成本相對(duì)較低以外，聚光性能是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)。聚光性能主要是通過(guò)聚光器的聚光效率體現(xiàn)的，聚光效率具體又體現(xiàn)在它的聚光倍數(shù)以及它對(duì)空間的利用程度，以及聚光光斑能流密度分布的均勻性等。下面以腔體吸收器作為接收器，從聚光器的理論聚光比、對(duì)空間的面積利用率兩個(gè)方面進(jìn)行分析。2.3.1無(wú)量綱參數(shù)如圖2-4線性菲涅爾反射太陽(yáng)能集熱器光學(xué)傳遞圖，接收器安裝高度為a,接收器的寬度為L(zhǎng)，設(shè)接收器長(zhǎng)度與反射鏡長(zhǎng)度相同。定義a與L比值為接收板無(wú)量綱安放髙度。 （2.17）定義聚光器第i個(gè)鏡元中心到聚光器中心線

41、的水平距離為，第i個(gè)鏡元最外緣邊線到聚光器中心線的距離與接收板寬度L比值定義為無(wú)量綱玻璃鏡面跨度: （2.18）式中，i為聚光器單側(cè)玻璃鏡面數(shù)。圖2-4LFR太陽(yáng)能集熱器光學(xué)傳遞圖2.3.2理論聚光比假設(shè)線性菲涅爾反射鏡聚光器的每一塊反射鏡元的長(zhǎng)度相同，均為L(zhǎng)，第i塊鏡元寬為,傾角為，由聚光比定義:聚光比為所有玻璃鏡在陽(yáng)光入射方向上面積之和與平板接收體面積之比得聚光比為： （2.19）值一定，在同一角度下，理論聚光比隨著的增大而增大。在相同跨度下，值隨角度的增加變化不大。值一定，在同一值下，理論聚光比值隨著的增大而增大。在相同跨度下，隨值的增加而增大。綜合以上結(jié)果，理論聚光比受值的影響比較大。

42、當(dāng)接收板高度越高，也就是a值越大時(shí)，在同樣跨度值下，理論聚光比越大。角度對(duì)理論聚光比影響不大。上述分析，不管是一定值條件下，理論聚光比隨的變化規(guī)律，還是一定值條件下，理論聚光比隨的變化規(guī)律，均是在一定的跨度下討論的。圖2.6給出鏡面數(shù)n變化下，理論聚光比隨角度的變化規(guī)律。由圖2.6可以得到，玻璃鏡面數(shù)相同，在同一值下，角度較小或者較大時(shí)，理論聚光比較小。此時(shí)跨度較小。實(shí)際應(yīng)用中，若給定所要求的值范圍，在已知值的情況下，可以得到一個(gè)值,使得玻璃鏡面的數(shù)量最少。圖中擬合實(shí)線處即為相同鏡面數(shù)下，理論聚光比最大值。如=20，在和=30°左右時(shí)，相同鏡面數(shù)下的理論聚光比較大。圖2-3 玻璃鏡面

43、反射光線路徑圖如圖3.3所示，對(duì)于一個(gè)固定接收板安放角度值，總會(huì)有一塊玻璃鏡片反射的光束寬度與接收板寬度L恰好相等，此時(shí)=2，并且對(duì)電池片的利用最為充分，單片玻璃鏡的聚光比最大為1;當(dāng)與0.5值偏差越大時(shí)，反射鏡片的寬度越小，反射光束寬度均小于平面接收板寬度L。反射鏡片的寬度越小，在有限的值范圍內(nèi)，鏡面數(shù)n值越大,所以給定鏡片數(shù)n也總會(huì)有一個(gè)最優(yōu)的值，使得聚光比最大，如圖3.3中擬合黑線所示。圖3.4中直接給出了理論聚光比與跨度的關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)接收板安放高度一定時(shí)，不同角度,相同跨度u下，理論聚光比是基本相同的。在趨于較大時(shí)，理論聚光比雖然也一直增大，但增幅逐漸縮小。圖2-5理論聚光

44、比隨變化規(guī)律2.3.3面積利用率當(dāng)該聚光系統(tǒng)的接收器為腔體時(shí)，定義該聚光器的單側(cè)面積利用率A為玻璃鏡面在陽(yáng)光入射方向上面積之和與聚光器平面框架所占空間總面積之比： （2.20）在平行光照射條件下，給定接收板寬度為100mm，玻璃鏡面安放使。在接收平板安放角度0°-75°和安放高度1m-2m范圍內(nèi)，分析該聚光器的面積利用率k:值分別為10、16、20時(shí)，在不同角度,不同跨度下，該聚光器的面積利用率k的變化規(guī)律。從圖中可以看出值一定，在同一角度下，面積利用率k隨的增大而逐漸減小。在相同跨度下，面積利用率k隨角度的增加變化不大。當(dāng)值一定，在同一值條件下，面積利用率k隨值增加而逐漸

45、減小。在相同跨度下，面積利用率k隨值增加而增大。也就是隨接收板安放高度a增加，在相同跨度下面積利用率k提高。角度對(duì)K影響不大。2.4本章小結(jié)本章利用聚光系統(tǒng)光學(xué)分析的通用方法一矢量法，結(jié)合線性菲涅耳型聚光反射裝置的自身特點(diǎn)，推導(dǎo)出LFR系統(tǒng)南北場(chǎng)、東西場(chǎng)、任意場(chǎng)的入射角、反射位置、跟蹤傾角等計(jì)算公式，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與計(jì)算分析的方法對(duì)LFR系統(tǒng)光學(xué)跟蹤特性有了直觀明了的了解，其結(jié)果可以方便固定吸熱器型的線性菲涅耳聚光反射鏡場(chǎng)的設(shè)計(jì)與預(yù)測(cè)。利用本章公式，可進(jìn)一步對(duì)線性菲涅耳型聚光反射裝置進(jìn)行詳細(xì)分析，例如對(duì)該類型的跟蹤系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)，可以對(duì)系統(tǒng)的遮擋問(wèn)題，聚光比分析提供必要的分析基礎(chǔ)。本章還以平板

46、吸收器為例，分析了接收器的無(wú)量綱安裝高度，無(wú)量綱玻璃鏡元跨度及接收器的安裝傾角，反射鏡鏡元的傾角對(duì)集熱器聚光比的影響。同時(shí)分析了線性菲涅爾集熱器的場(chǎng)地面積利用率。為線性菲涅爾反射集熱器的應(yīng)用提供了一點(diǎn)參考價(jià)值。第3章 菲涅爾反射式太陽(yáng)能集熱器腔體接收器集熱性能第3章 菲涅爾反射式太陽(yáng)能集熱器腔體接收器集熱性能 3.1引言接收器在太陽(yáng)能集熱器的作用非常明顯。接收器中的太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成熱能并且被流體的物質(zhì)帶走，從而完成光和熱之間的轉(zhuǎn)換。集熱器性能的好壞是由接收器的熱性能所決定的。因此對(duì)接收器中的流動(dòng)和傳熱的性能，能對(duì)接收器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供幫助，降低熱損失，提高集熱器的光和熱的轉(zhuǎn)化效率。本文提出了四種

47、結(jié)構(gòu)類型的腔體吸收器，并進(jìn)行了設(shè)計(jì)。對(duì)四種吸收器的熱性能進(jìn)行比較，運(yùn)用了理論計(jì)算和軟件分析，并在此基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案。以期能夠進(jìn)一步的完善線性菲涅爾反射集熱器的系統(tǒng)。3.2基于腔體吸收器的太陽(yáng)能聚光能量系統(tǒng)熱力學(xué)分析3.2.1聚焦式太陽(yáng)能系統(tǒng)的熱力過(guò)程基于腔體吸收器的聚光太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)化系統(tǒng)（如圖 3-1）中，太陽(yáng)輻射通過(guò)聚光器將光線匯聚在腔體吸收器中 在腔體吸收器內(nèi)壁面，光能轉(zhuǎn)化熱能，熱能被工質(zhì)流體帶走 利用腔體吸收器的黑腔特性，能使得聚光器匯集的光線能在腔體吸收器內(nèi)經(jīng)過(guò)多次反射和吸收，盡可能的將光能轉(zhuǎn)換成熱能 與此同時(shí)，腔體吸收器通過(guò)保溫材料向環(huán)境有導(dǎo)熱損失，在腔體吸收器開口處會(huì)向環(huán)

48、境大空間有紅外輻射和自然對(duì)流熱損 因此流體工質(zhì)帶走的可用熱能，取決于直射輻射值 聚光器光學(xué)性能和腔體吸收器的熱損失量。圖 3-1 基于腔體吸收器太陽(yáng)能聚光光熱轉(zhuǎn)化系統(tǒng)系統(tǒng)的熱力學(xué)分析主要基于以下幾點(diǎn)假設(shè)和說(shuō)明：系統(tǒng)的熱力學(xué)分析主要基于以下幾點(diǎn)假設(shè)和說(shuō)明：(1)聚光器跟蹤裝置無(wú)跟蹤誤差，能保證太陽(yáng)光能夠全部匯聚到腔體吸收器中聚光器的光學(xué)效率用表示 (2)腔體被看作是黑體，表面溫度一致均勻?yàn)?3)腔體吸收器保溫效果良好，保溫層外表面溫度與大氣環(huán)境溫度一致(4)環(huán)境溫度保持穩(wěn)定，不受太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的影響，為(5)聚焦型集熱器只能利用太陽(yáng)輻射中的直射輻射（）部分，實(shí)際受到集熱器的跟蹤形式 氣象狀況以及

49、時(shí)間等參數(shù)的影響 在熱力學(xué)分析中，認(rèn)為是常數(shù)，并且系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài) (6)腔體吸收器的開口面積為，吸收面有效導(dǎo)熱面積為，聚光器的有效聚光面積為 3.2.2基于腔體吸收器熱效率熱力學(xué)分析基于以上假設(shè)，對(duì)基于腔體吸收器的聚光太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)化系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析,系統(tǒng)的熱平衡方程如下： （3.1） （3.2） （3.3）其中為通過(guò)集熱器匯聚的太陽(yáng)能輻射能（考慮集熱器光學(xué)損失）， 為吸收器中工質(zhì)帶走的有效熱能，為腔體開口處自然對(duì)流換熱系數(shù) ，為腔體吸收器的熱損失，為保溫材料的有效厚度, 為保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，為斯忒藩-波耳茲曼常量, 由以上分析吸收器得到的熱能可以表示為： （3.4）對(duì)于成像聚光系統(tǒng)熱損

50、可認(rèn)為與吸收器和環(huán)境溫差成正比，故集熱器熱損可以表示為： （3.5）其中為熱損系數(shù)： （3.6）當(dāng)熱損為零時(shí)，吸收器能達(dá)到最高的滯止溫度,此時(shí)進(jìn)入腔體的太陽(yáng)能輻照全部損失到環(huán)境中 將滯止溫度表示成無(wú)量綱形式如下： (3.7)由于聚光比 C=Ac/Aa,則滯止溫度無(wú)量綱形式可進(jìn)一步表示為： (3.8)與聚光比成正比，也就是說(shuō)聚光比和集熱器所能達(dá)到的滯止溫度呈現(xiàn)出正比的關(guān)系，無(wú)量綱溫度是由集熱器聚集的太陽(yáng)輻射能量和腔體的熱損所決定的，其范圍在 1 和之間 無(wú)量綱滯止溫度用來(lái)描述當(dāng)吸收器中工質(zhì)不流動(dòng)時(shí)吸收器對(duì)環(huán)境的散熱量與得熱量平衡時(shí)腔體吸收器到達(dá)的最高溫度 因此集熱器的熱效率可以表示為： (3.9

51、)可見效率與吸收器溫度成線性關(guān)系 在滯止溫度時(shí)，工質(zhì)帶走的熱量火用為零 由式 3-8 和 3-9 可知，集熱器效率與腔體吸收器工作溫度 幾何聚光比，和吸收器的熱損系數(shù)有關(guān) 對(duì)于特定的太陽(yáng)能集熱器來(lái)說(shuō)，工作溫度越低，其效率越高 聚光器的幾何聚光比越高，系統(tǒng)的在相同溫度下運(yùn)行的效率越高，即對(duì)于某特定需求的場(chǎng)合，適用聚光集熱器比非聚光集熱器的效率要高 聚光器的光學(xué)效率越優(yōu)越優(yōu)良，集熱器的光熱轉(zhuǎn)化性能越優(yōu)越 集熱器的光熱轉(zhuǎn)化效率也取決于天氣情況，直射輻射越高，集熱器的性能越好 同時(shí)，集熱器的熱損失系數(shù)也影響了集熱器的光熱轉(zhuǎn)化性能，通過(guò)對(duì)腔體吸收器的優(yōu)化設(shè)計(jì)能有效增加吸收器的有效吸收率和減少吸收器的有效

52、紅外發(fā)射率 這對(duì)集熱器的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。本章通過(guò)對(duì)基于腔體吸收器的聚光能量系統(tǒng)經(jīng)行熱力學(xué)分析，對(duì)其光熱轉(zhuǎn)化過(guò)程經(jīng)行了理論研究 通過(guò)提出集熱器光熱轉(zhuǎn)化模型，推到了集熱器熱效率的一般表達(dá)式 發(fā)現(xiàn)集熱器的熱效率與聚光器的光學(xué)效率，幾何聚光比 熱系數(shù)有關(guān) 并且對(duì)于某一特定的太陽(yáng)能集熱器存在一個(gè)最佳運(yùn)行溫度點(diǎn)使得集熱器的光熱轉(zhuǎn)化的火用效率最高 這對(duì)腔體吸收器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)聚光集熱器的高效率運(yùn)行有指導(dǎo)意義。3.3腔體吸收器性能研究3.3.1概述在聚光太陽(yáng)能的系統(tǒng)中，太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)聚光器會(huì)聚后都照射在吸收器上，能量被傳遞給吸收器內(nèi)部的流動(dòng)的物質(zhì)例如導(dǎo)熱油和水等，從而轉(zhuǎn)變成有用能。吸收器位于聚光器的焦點(diǎn)上，通

53、常在吸收器上的能量密度是正常的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的三十到一百倍。因此，聚焦太陽(yáng)能集熱器中光熱轉(zhuǎn)換的過(guò)程中的承載者是吸收器，吸收器效率的高低會(huì)對(duì)系統(tǒng)的集熱效率造成直接的影響。近些年來(lái)，國(guó)外較多采用直通式真空管作為線聚焦太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)中的吸收器，它的優(yōu)點(diǎn)是熱損小，效率高，但同時(shí)也存在很多的缺點(diǎn)，例如成本高，長(zhǎng)期運(yùn)行容易出現(xiàn)真空泄漏等問(wèn)題。腔體吸收器是除了真空管以外的，可用于線聚焦太陽(yáng)能集熱器的又一種裝置，存在著效率低的缺點(diǎn)，同時(shí)也擁有著可靠性高、低成本的優(yōu)點(diǎn)。本章基于腔體吸收器的黑腔的特性，以及能夠高效的抑制對(duì)流和輻射損失的基礎(chǔ)上，提出四種不同結(jié)構(gòu)的腔體吸收器，并且進(jìn)行了設(shè)計(jì)，利用傳熱學(xué)原理和幾何光學(xué)原

54、理，對(duì)其進(jìn)行了熱性能模擬和理論計(jì)算，最后對(duì)四種腔體吸收器的性能進(jìn)行了比較。在此基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)了正方形和三角形這兩種腔體吸收器，重點(diǎn)的針對(duì)兩種腔體吸收器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。3.3.2四種腔體吸收器的結(jié)構(gòu)之前國(guó)內(nèi)外研究的腔體吸收器都是圓弧形結(jié)構(gòu)的，在此基礎(chǔ)上，一旦改變曲面率和角度，將會(huì)改變光線在腔體中的二次反射，影響它的光學(xué)性能，除此之外，由腔體外界與內(nèi)壁溫差產(chǎn)生的熱流體流場(chǎng)發(fā)生改變也會(huì)引起溫度場(chǎng)的變化，并最終影響腔體的熱損失被改變。在本文中，用改變拐角、表面曲率等方法，在現(xiàn)有的圓弧形腔體吸收器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出了新的三種腔體結(jié)構(gòu)模型，分別是：有一個(gè)銳角彎的三角形，與圓形結(jié)構(gòu)類似的半圓形，兩個(gè)直角彎的正方

55、形。其照片如圖 3-1 所示，根據(jù)第二章中菲涅爾反射鏡的聚光性能，接收開口寬度初步設(shè)定為 3cm，具體尺寸如圖 3-1所示，長(zhǎng)度為0.5m。如果光帶寬度比較寬，可以考慮去掉其兩側(cè)的擋板，將開口的寬度擴(kuò)大到5cm。吸熱腔體與銅管之間采用錫焊連接，并且選擇性的噴涂吸收的涂料。在腔體接收器的實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)樘鞖鉅顩r不穩(wěn)定，尤其是在大風(fēng)大雨等天氣，腔體的吸熱面極易受到空氣對(duì)流的影響，會(huì)在很大程度上降低熱效率。首先要保證腔體具有最佳的開口寬度，其次為了避免這種影響的方法就是加透明蓋層，不同幾何形狀的蓋層也會(huì)對(duì)氣流流向造成影響，因此對(duì)其進(jìn)行研究是非常有必要的。本節(jié)考慮到以上因素和光學(xué)效率問(wèn)題，研究了帶有

56、3 種不同形狀的玻璃蓋層腔體吸收器的熱性能，如圖 3-1 所示，除了半圓型蓋層，其余蓋層材料均為超白玻璃（廠家提供透過(guò)率為 90%以上），厚度為 2mm。半圓形玻璃蓋層材料為硼硅玻璃，厚度2mm。圖 3-1四種腔體吸收器的結(jié)構(gòu)圖3.3.3 四種腔體吸收器的光學(xué)性能模擬利用 TracePro 軟件進(jìn)行腔體吸收器的光學(xué)性能模擬。該商業(yè)軟件利用 Monte Carlo的方法對(duì)光線進(jìn)行追蹤，在模型的每個(gè)交點(diǎn)處和物理表面處，個(gè)體光線都要遵從反射、吸收和折射定律。當(dāng)光線在實(shí)體中沿不同路徑進(jìn)行傳播的時(shí)候，TracePro 跟蹤每條光線的光通量，并且對(duì)其進(jìn)行計(jì)算鏡面反射及折射能量。因此，可以通過(guò)正確的建立材料屬性、物理模型和表面性能參數(shù)，利用 TracePro 來(lái)模擬四種腔體吸收器的光學(xué)性能并計(jì)算其光學(xué)效率。圖 3-2光線追跡圖及腔體內(nèi)能量分布圖 3-3 光線追跡圖及腔體內(nèi)能量分布在計(jì)算過(guò)程中，太陽(yáng)角造成的影響可以忽略不計(jì)，太陽(yáng)輻射被假定為相互平行的光束大量的進(jìn)入系統(tǒng)，其中每一光束攜帶的能量和發(fā)射的方向是確定的，發(fā)射的位置是在一定的平面隨機(jī)生成的。結(jié)果光束的表面的系統(tǒng)中的作用和一個(gè)（反射，折射，散射）的發(fā)生的物理模型取決于表面材料的性質(zhì)。在計(jì)算中，自