復(fù)合拋物面聚光器_CPC_光學(xué)分析研究

1、第27卷第2期2006年4月能源技術(shù)ENERGYTECHNOLOGYVol.27No.2Apr.2006研究與探索復(fù)合拋物面聚光器(CPC)光學(xué)分析研究劉靈芝1,2,李戩洪1(1.中國科學(xué)院廣州能源研究所,廣州510640;2.中國科學(xué)院研究生院,北京100039)摘要:闡述了復(fù)合拋物面聚光器(CPC)的設(shè)計(jì)原理和光學(xué)原理,簡(jiǎn)單介紹了復(fù)合拋物面聚光器(CPC)與不同接收器的結(jié)合形式。主要介紹了平板型CPC和圓管型CPC的計(jì)算公式的推導(dǎo)結(jié)果最后主要說明了截取比在CPC,認(rèn)為合適的截取比可增加CPC,對(duì)。關(guān)鍵詞:復(fù)合拋物面聚光器(CPC);平板接收器;中圖分類號(hào):TK513.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A)02

2、20052205ofCompoundParabolicCPC)LIULing2zhi1,2,LIJi2hong(1.GuangzhouInstituteofEnergyConversion,ChineseAcademyofSciences,Guangzhou510640,China;2.GraduateSchooloftheChineseAcademyofScienceBeijing,Beijing100039,China)Abstract:Thepaperexpoundsthedesigntechniqueandopticalperformanceofthecompoundparabolic

3、concentrators(CPC)andintroducesthedifferentCPCtypescombinedwithdifferentabsorbers.ThedesignmethodofflattypeandtubularabsorberCPCisintroducedandthecalculationprocessaboutsomeoftheircharacteristicislisted.Thetruncationisalsodetailedlydiscussed.Itisprovedthatappropriatetruncationcanimprovetheusingofthe

4、CPCandreducetheuseofmaterial,itispropitioustodeveloptheCPC.Keywords:compoundparabolicconcentrators(CPC);flatreceiver;tubularabsorber;truncation復(fù)合拋物面聚光器(CPC)是一種根據(jù)邊緣光學(xué)原理設(shè)計(jì)的非成像聚光器,入射陽光在CPC中通過幾次反射到達(dá)接收表面,流失較少,還可對(duì)斜入射的太陽光進(jìn)行有效收集,達(dá)到最大理論聚光比,性能非常接近于理想聚光器。CPC的運(yùn)行不需要隨時(shí)跟蹤太陽位置,只需根據(jù)季節(jié)調(diào)節(jié)方位,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作控制方便。非成像的CPC聚光比一般不超過

5、15,工作溫度范圍為80250,是具有一定特色的中溫聚光集熱器1。對(duì)CPC的研究是在20世紀(jì)60年代開始的,最初的研究重點(diǎn)是對(duì)二維和三維復(fù)合拋物面聚光器的幾何結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行探討,在應(yīng)用上除了收集太陽能外還涉及到其他領(lǐng)域,例如用三維復(fù)合拋物面聚光器對(duì)紅外線進(jìn)行收集等2。70年代末期,研究工作有很大進(jìn)展,內(nèi)容包括CPC與不同形式的接收52器的結(jié)合和CPC的設(shè)計(jì)研究3,4,對(duì)CPC的光學(xué)性能和熱性能進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究等58。但是在這些研究中,CPC的接收器大部分為平板接收器,只有少量非真空?qǐng)A管接收器和極少的真空?qǐng)A管接收器,而且以小聚光型為主9,10,主要用于太陽能熱水器或熱水系統(tǒng),經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性都不

6、強(qiáng)。近10年來CPC的研究重點(diǎn)為圓管型(包括非真空?qǐng)A管和真空管),目的是為了得到較高溫度的熱載體,甚至是得到蒸汽。例如文獻(xiàn)11,12用圓管型CPC系統(tǒng)產(chǎn)生蒸汽,可供烹飪;湘潭大學(xué)袁勝利等提到用太陽能熱管集熱器與CPC系統(tǒng)結(jié)合,生產(chǎn)采用幾何聚光比為5的CPC系統(tǒng),最終得到的160飽和水蒸氣,流量為2.85kg/h13。隨著人們對(duì)應(yīng)用中經(jīng)濟(jì)性的考慮,最近的研究中關(guān)于截取比也是一個(gè)熱點(diǎn)14,15,部分學(xué)者還對(duì)非對(duì)稱型CPC系統(tǒng)進(jìn)行了研究。© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights re

7、served. 劉靈芝等:復(fù)合拋物面聚光器(CPC)光學(xué)分析研究本文準(zhǔn)備簡(jiǎn)單介紹復(fù)合拋物面聚光器(CPC)與不同接收器的結(jié)合形式。主要介紹平板型CPC和圓管型CPC的設(shè)計(jì)方法和對(duì)相關(guān)量的計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo)。最后重點(diǎn)分析研究截取比在CPC系統(tǒng)中對(duì)系統(tǒng)效率和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性的影響。1復(fù)合拋物面聚光集熱器1.1聚光原理CPC的主體部分為兩片拋物面反射板,縱切面如圖1。圖中AC和BD為拋物線,關(guān)于中心軸對(duì)稱;AD和BC為CPC的入射限制線,分別與拋物線的主軸平行(或?yàn)镃PC的主軸);入射限制線與對(duì)稱軸夾角稱為接收半角。當(dāng)從CPC上端開口入射的光線入射角小于或等于時(shí),可直接,入射角大于時(shí),次反射從的上端口射出

8、不能被利用。所以在CPC中是聚光比:C=1/sin1.2CPC與接收器的結(jié)合CPC可以和不同的接收器相結(jié)合,比較常見的圖2CPC與不同形狀的接收器相結(jié)合圓的漸開線,點(diǎn)F(圓的上頂點(diǎn))為兩拋物線共同的焦點(diǎn)。h為從圓心算起的CPC的高度。2典型的CPC系統(tǒng)圖1CPC剖面圖CPC可以有不同形式18,其中對(duì)稱的平板型和一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù),它的大小直接決定了CPC的幾何圓管型CPC系統(tǒng)研究得比較多。2.1平板型CPC系統(tǒng)平板型CPC系統(tǒng)主要由兩個(gè)部分組成:拋物形反光板和平板接收器。文獻(xiàn)1給出一些關(guān)于平板型CPC的相關(guān)量的計(jì)算公式。聚光器的焦距:f=有4種16217,這些接收器在CPC中的位置不同,要求CPC

9、的焦點(diǎn)位置也不同,如圖2。(1)平板型接收器接收器為CPC下端長度為d2的平板;CPC的焦點(diǎn)在拋物線的下端;右拋物線的主軸過左拋物線下端點(diǎn)并平行于左拋物線的上端點(diǎn)與右拋物線的下端點(diǎn)的連線。(2)豎板型接收器接收器為長度為d2的雙面接收的豎直板;兩條拋物線的焦點(diǎn)重合在豎直板的上端點(diǎn);拋物線的主軸為圖上的虛線;CPC兩側(cè)為兩條拋物線,下端是一條以拋物線焦點(diǎn)為圓心以接收器高度d2為半徑的圓弧。(3)三角型接收器接收器為由長度分別為d2,夾角為2的兩條半拋物線組成;兩條拋物線的焦(sin+1)聚光器的高度:h=(=(d1+d2)ctg22C-1)d2根據(jù)這些公式,進(jìn)一步計(jì)算可以推導(dǎo)得出拋物線的弧長(拋

10、物線先轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)形式):l=(2f2+4f22+2fInx+22x+4f)x2x1接收器的長度為L,則整個(gè)反光板的面積為:S=2Ll=f+4f+22+4f)x2x1222f2In(x+2.2圓管型CPC系統(tǒng)點(diǎn)重合在兩板的交點(diǎn)上。(4)圓管型接收器接收器為圓管;CPC反光板由圓(半徑為r)的漸開線和焦點(diǎn)為圓的上頂點(diǎn)的兩段拋物線組成,AC和BD為拋物線,CE和DE為圓管型CPC系統(tǒng)的底部具有漸開線形狀,進(jìn)入CPC下端,落在漸開線上的光線最終都能反射到圓53© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All

11、 rights reserved. 劉靈芝等:復(fù)合拋物面聚光器(CPC)光學(xué)分析研究管接收器上1118。2.2.1系統(tǒng)方程19左漸開線:x=-rsint+costy=-rcost-sint右漸開線:x=rsint-costy=-rcost-sint舍五入以及畫圖的程序采用由小段線連接成整個(gè)拋物線,而且這個(gè)描敘本身與理想情況存在一定偏差。不過由于拋物線的定義很明確,拋物線部分容易轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的拋物線方程形式,便于計(jì)算拋物線部分的弧長和整個(gè)反光板的面積,這對(duì)于了解用材量和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析還是很有幫助的。表1根據(jù)C理論繪圖的圓管型CPC的參數(shù)C理論=r+式中;0t/2。-ysin+rsin)2=左拋物

12、線:(xcos+ycos+f-rcos)4f(xsin+ysin-rsin)2=右拋物線:(xcos+ycos+f-rcos)4f(-xsin2.2.2相關(guān)量的計(jì)算公式寬/mm高/mm307.7799693.C實(shí)際C理論234530°297.670219.5°438.271589503.4.52475.250%6.997%9.775%9.506%14.5°566.57431與其他的聚光器相比,CPC的反光板面積較大,但是反光板的上部聚光效果較差,因此隨著反光板高度的增加聚光比增加很小,特別在聚光比較高的CPC中表現(xiàn)得更加明顯。實(shí)際應(yīng)用時(shí)適當(dāng)截去上面低效部分,可以減

13、少用材降低成本,使性價(jià)比提高。平板型CPC經(jīng)過截取后的高度與原高度的比值,圓管型CPC經(jīng)過截取后開口到圓管接收器圓心間的距離與原來的距離之比,稱之為截取比。截取比減小會(huì)造成聚光比減小,因開口和半角增大所增加的光線雖然部分會(huì)從上下端口射出,但還可以起到一定的補(bǔ)償效果,還可延長運(yùn)行時(shí)間。圖3表示了3種平板型CPC的截取比和聚光比之間的關(guān)系?？梢钥吹疆?dāng)截取比較大(即截去的部分較少)時(shí),聚光比的減小很少,一般截取比大于1/2時(shí)聚光比減小的很緩慢;只有當(dāng)截取比小于1/2時(shí)聚光比才迅速減小。綜合考慮系統(tǒng)效率和它的經(jīng)濟(jì)性,選擇截取比為2/31/2時(shí)是比較理想的。圖4顯示了平板型CPC的實(shí)際聚光比與開口角度之

14、間的關(guān)系。可以看出:經(jīng)過截取后的CPC開口半角增大。為了獲得同樣的聚光比,經(jīng)過截取后的CPC開口半角也要大些。例如C理論為3的CPC的開口半角為19.5°,C理論為4的CPC經(jīng)截取的開口半角為36.74°C理論為5的CPC經(jīng)過截取開口半角為41.36°,三者得到的實(shí)際聚光比相同。令光線入射角為t,截取后CPC開口半角為d,CPC接收器上接收到的光線數(shù)量與從上端開口射通過計(jì)算推導(dǎo),(1)rctg+rCh=C(2)+cos+f=18022+cos)2+2180(3)左右拋物線頂點(diǎn)坐標(biāo)分別為(-fsin,r-fcos)和(fsin,r-fcos)(4)反射板弧長1-si

15、n)2+(漸開線部分:l1=22ft22+=22()+2180拋物線部分(拋物線先轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)形式):l2=2+4f+22+4f)x2x1222f2In(x+(5)整個(gè)反光板的面積S=2L(l1+l2)根據(jù)以上介紹的CPC的特征畫出的CPC反光板的實(shí)際幾何聚光比比理論幾何聚光比小,即C實(shí)際,而且隨著的減小,偏離越大。表1列小于1/sin出了理論幾何聚光比為25時(shí)畫圖出來的實(shí)際情況:包括開口寬度、CPC從圓的圓心到開口的高度、實(shí)際幾何聚光比和理論與實(shí)際的幾何聚光比之差。從表上可以看出畫圖出來的實(shí)際幾何聚光比偏離理論聚光比比較大,從為30°時(shí)偏離5.25%到11.5°時(shí)9.506

16、%。造成較大偏差的原因主要是計(jì)算時(shí)四54入的光線數(shù)量之比為F(t),那么對(duì)于未截取的CPC的F(t)可表示為:© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 劉靈芝等:復(fù)合拋物面聚光器(CPC)光學(xué)分析研究這種差距增大。例如當(dāng)C實(shí)際為2.7901時(shí),被截取后為14.5°的CPC用材是未被截取的為19.5°的CPC的52.34%;而被截取的為11.5°的CPC用材是未被截取的為19.5°的CPC的45.76%。圖6直觀地顯示了

17、實(shí)際聚光比與反光板高度之間的變化關(guān)系。從圖上易得:當(dāng)CPC的反光板的高度相同時(shí),原來理論聚光比較高的CPC經(jīng)過截取后聚光比明顯隨高度增加。圖3截取比和C實(shí)際的關(guān)系圖圖5實(shí)際聚光比與反光板總弧長關(guān)系圖圖4C實(shí)際與開口半角關(guān)系圖);F(t)=0(|t|>)F(t)=1t/(|t|經(jīng)過截取的CPC的F(t)表達(dá)方式卻有所不同14。對(duì)于平板型CPC:1F(t)=t1-<td;2Ctgd01F(t)=t>d對(duì)于圓管型CPC(忽略/2的情況):d>t1-(1+Ccosd)<td;2Ccostt>d圖6實(shí)際聚光比與反光板高度關(guān)系圖+20圖7和圖8顯示理論聚光比為5的平板型

18、和圓管型CPC經(jīng)截取后實(shí)際聚光比及其減少量C?？梢钥闯?兩種CPC聚光比都隨截取比的減小而減小,圓管型在截取比大于1/2時(shí)變化相對(duì)平緩?？偟膩碇v,對(duì)CPC進(jìn)行適當(dāng)截取能保證聚光比略有減少但用材量可以大大減少,從經(jīng)濟(jì)的角度上考慮是很有必要的。所以如果要選擇一定聚光比的CPC時(shí),可以選擇聚光比比較高的CPC進(jìn)行截取,比較節(jié)省材料,而且光效率也有一定的提高。時(shí),入從公式可以看出:截取后的CPC在t射光線仍舊被反射到接收器上;而當(dāng)<td時(shí),雖然入射光線中的一小部分不能反射到接收器上,但大部分能被接收器接收,吸收總量相應(yīng)的增加了。截取后的CPC的光效率也將有相應(yīng)的提高,這是因?yàn)榻邮掌魇盏降闹鄙湓黾?/p>

19、,散射光線基本不變,FBD提高;以及平均反射次數(shù)的減小。圖5顯示了實(shí)際聚光比與反光板總弧長的變化關(guān)系?？梢钥闯?當(dāng)實(shí)際聚光比相同時(shí),理論聚光比小的反光板的總弧長比較大,隨著實(shí)際聚光比增加5結(jié)論本文闡述了復(fù)合拋物面聚光器(CPC)的設(shè)計(jì)原理和光學(xué)原理,并簡(jiǎn)單介紹了復(fù)合拋物面聚光器(CPC)與不同接收器的結(jié)合形式。文中主要介紹了55© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 劉靈芝等:復(fù)合拋物面聚光器(CPC)光學(xué)分析研究北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,1987.2美愛

20、德華安德遜著.太陽能基礎(chǔ)原理及其在工程中的應(yīng)用(二)太陽能轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)M.西安:西安地區(qū)新能源技術(shù)開發(fā)服務(wù)中心西安太陽能利用所,1986.3SrinivasanM,KulkarniLV,PasupathyCS.SimpleTechniqueofFabricationofParaboloidalConcentra2torsJ.SolarEnergy,1979,22(5):4632465.4RablA,OGallagherJ,WinstonR.DesignandTestofNon-EvacuatedSolarCollectorsWithCompoundPar2abolicConcentratorsJ.

21、SolarEnergy,1980,25(4):3352351.圖7C理論為5的平板型和圓管型CPC經(jīng)截取的C實(shí)際5ChewTC,WijeysunderaNE,AO.Experimentalstudyofreeparabolicconcen2()SolarEnergyEn2,theASME,1988,110(4):D,OGallagherJ,WinstonR.Thermalandopti2calperformancetestresultsforcompoundparabolicconcentrators(CPCs)J.SolarEnergy,1990,44(5):2572270.7EamesPC

22、,NortonB.DetailedparametricanalysesofheattransferinCPCsolarenergycollectorsJ.SolarEnergy,1993,50(4):3212338.8FaroukKothdiwalaA,NortonB,EamesPC.The圖8C理論為5的平板型和圓管型CPC經(jīng)截取的Ceffectofvariationofangleofinclinationontheper2formanceoflow-concentration-ratiocompoundparabolicconcentratingsolarcollectorsJ.Solar

23、En2ergy,1995,55(4):3012309.9CollaresPereiraM,DuqueJ,JoyceA,DelgadoM,Ser2rudoG,Rego-TeixeiraA.3XCPCTypeconcentratorwithtubularreceiverandtubularglassenvelopetore2duceconvectivelosses-descriptionandperformanceJ.PergamonPress,1982,2:171821722.10Collares-PereiraM.DescriptionandtestingofANon-evcuated1.5m

24、ultipliedbyCPCCollectorthermalperformancecomparisonwithothercollectortypesJ.JournalofSolarEnergyEngineering,TransactionsoftheASME,1985,107(4):2772280.11ROommen,SJayaraman.Developmentandperform2anceanalysisofcompoundparabolicsolarconcentra2torswithreducedgaplosses-oversizedreflectorJ.EnergyConversion

25、andManagement,2001,42:137921399.12RachelOommen,SJayaraman.Developmentandperformanceanalysisofcompoundparabolicsolarconcentratorswithreducedgaplosses-Vgroovere2flectorJ.RenewableEnergy,2002,27:2592275.(下轉(zhuǎn)第59頁)平板型CPC和圓管型CPC的設(shè)計(jì)方法并給出了相關(guān)量的計(jì)算公式。最后重點(diǎn)說明了截取比在CPC系統(tǒng)中對(duì)系統(tǒng)效率和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性的影響。(1)適當(dāng)對(duì)CPC進(jìn)行截取可以在損失少量的聚光比的情況下

26、大幅度增大CPC開口角度,讓CPC接收更多的入射光線,同時(shí)增長CPC接收太陽光的時(shí)間,提高CPC的利用率。(2)截取CPC可以大大的節(jié)省材料,減少制造成本提高性價(jià)比。(3)只要截取比大于1/2,實(shí)際聚光比減小很緩慢;但當(dāng)截取比小于1/2時(shí),實(shí)際聚光比迅速減小。綜合考慮系統(tǒng)效率和它的經(jīng)濟(jì)性,選擇截取比為2/31/2時(shí)是比較理想的。(4)截取后的CPC的光效率也能相應(yīng)提高?？傊?對(duì)聚光比較高的CPC進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕厝?無論從光效率還是從經(jīng)濟(jì)的角度考慮對(duì)CPC系統(tǒng)都是有利的,對(duì)于CPC的推廣應(yīng)用很有意義。參考文獻(xiàn):1郭廷瑋,劉鑒民,MDAGUENET.太陽能的利用M.56© 1994-2009

27、 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 吳英等:床料對(duì)流化床顆粒層過濾器過濾元件的壓降的影響表4床料高度為70mm時(shí)系統(tǒng)各部分壓力和風(fēng)量的平均增速床料石英砂黃砂爐膛壓力過濾元件壓力布風(fēng)板壓力Pamin-1Pamin-1242540Pamin-1-16-26風(fēng)量平均增速m3h-1min-1-1.9-2.83結(jié)論與展望從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):采用石英砂作床料時(shí)系,系統(tǒng)各部分的,但是在,最。因此保持元件表面下一步工作打算圍繞保持元件表面顆粒層穩(wěn)定性,研究床料循環(huán)再生的最優(yōu)方案,將去除了細(xì)灰的再生床料回送入流化床,穩(wěn)定料層高度,進(jìn)而利用強(qiáng)烈湍流運(yùn)動(dòng)的床料粒子對(duì)元件表面顆粒層的清潔作用,維持元件表面顆粒層在恰當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi),使得過濾系統(tǒng)能有更長周期的穩(wěn)定運(yùn)行。參考文獻(xiàn):1傅文玲.歐洲潔凈煤技術(shù)的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較J.中圖5石英砂料高70mm的結(jié)果時(shí),過濾系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間要遠(yuǎn)長于采用黃砂,而且系統(tǒng)各部分壓力隨時(shí)間變化也呈很好的線性關(guān)系。從表3和表4中可以看出,采用石砂英時(shí),多,大時(shí),2min就超過量程,故圖3;而且過濾元件的初始?jí)毫^之50mm時(shí)大了一倍,布風(fēng)板的初始?jí)毫t少了3kPa,導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出力不夠,因而起始風(fēng)量