第七章：聚焦集熱器

1、7.9：線性鏡像聚光器幾何原理拋物線橫截面線性聚光器已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)和理論上被廣泛的研究了，而且在中等集熱和100到500C的溫度范圍內(nèi)大量使用。為了弄清集熱器的工作原理，我們有必要介紹一下聚光器的光學(xué)性能和它產(chǎn)生的鏡像。這樣的集熱器，單位面積吸收的輻射量由式7.4.1給出。為了求出S的值，我們必須要知道反射鏡產(chǎn)生的鏡像特征。理論上聚光器產(chǎn)生的鏡像與聚光器的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。線性拋物線聚光器的橫截面圖如圖7.9.2和圖7.9.3。7.9：線性鏡像聚光器幾何原理7.9：線性鏡像聚光器幾何原理7.9：線性鏡像聚光器幾何原理太陽輻射的直射部分是一個(gè)角范圍為0.53的圓錐體。假設(shè)聚光器是對(duì)稱的，直射是沿著小孔法

2、線入射的。所以入射到聚光器上的輻射方向是和拋物線中心面平行的。圖7.9.5是拋物線邊緣的反射輻射決定焦點(diǎn)區(qū)范圍的原理圖。焦平面太陽鏡像范圍隨著邊緣角的增大而增大。中心在焦點(diǎn)的平面，圓形和半圓形集熱器的最小尺度攔截的所有輻射如圖所示。入射到這些集熱器表面的輻射角大小是不同的。7.9：線性鏡像聚光器幾何原理對(duì)于理想的拋物反射鏡面，由于集熱器大小而攔截的所有太陽鏡像可以計(jì)算。圓柱形集熱器的直徑是：對(duì)于在拋物線焦平面的平板集熱器：7.10：理想線性聚光器圖像我們現(xiàn)在更詳細(xì)地討論理想線性對(duì)稱拋物線形聚光器的圖像問題。我們只討論垂直與拋物線軸線的平面產(chǎn)生的圖像。入射到不同反射平面的輻射可以看成是一個(gè)頂角為

3、32的圓錐。每部分的反射將是一個(gè)相似的圓錐，如果反射是理想的，所有圓錐的頂角應(yīng)該相等?？紤]一個(gè)在拋物線焦點(diǎn)處，并和軸線垂直的平板集熱器，而且是法向入射。焦平面和反射圓錐的交集是一個(gè)橢圓，橢圓的短軸為2rsin16,長(zhǎng)軸為（y1-y2），式中y1=rsin16/cos(-16),y2=rsin16/cos(+16)?？偟膱D像是所有反射面的總橢圓。當(dāng)?shù)鼐酃獗仁侨我獾攸c(diǎn)的強(qiáng)度和聚光鏡上的強(qiáng)度之比。如圖所示：7.10：理想線性聚光器圖像7.10：理想線性聚光器圖像7.10：理想線性聚光器圖像7.10：理想線性聚光器圖像線性拋物線聚光器可以通過多種調(diào)整方式跟蹤太陽直接輻射。7.11：非線性聚光器圖像如果

4、反光鏡上有沿法向分布的輕微的二維面傾斜誤差，那么反光鏡排列產(chǎn)生的焦平面上的圖像如圖7.11.1所示。7.11：非線性聚光器圖像第二種方法是考慮角度在0.53+范圍內(nèi)的反射直射部分，如圖7.11.2所示，是色散角。這里是反射鏡面角誤差的測(cè)量值，對(duì)稱接收器可以攔截的鏡像直徑為：7.11：非線性聚光器圖像如果角偏差的分布已知，利用光線跟蹤的方法，我們可以根據(jù)光束分布才估計(jì)的值，當(dāng)然我們還可以根據(jù)反光鏡的制造過程來知道角偏差分布，從而估計(jì)的值。角偏差法向分布的假設(shè)還是比較接近實(shí)際情況的。用色散角描述的非理想拋物線槽的鏡像直徑和范圍可以用式7.11.1和式7.11.2來求得。當(dāng)接收器大到可以攔截所有的鏡

5、面反射輻射，孔的面積和總面積的比可以表示成（a/W）?=1。通過（a/W）?=1可以求出Cmax的值，即攔截鏡像的最大面積比。對(duì)于邊界清晰定義，接收器位置明確的鏡像。7.12：用光線跟蹤評(píng)估聚光器光線跟蹤方法經(jīng)常用來分析聚光器集熱器，這是一種跟蹤通過光學(xué)系統(tǒng)的大量入射光線路的徑過程，來確定表面的光線分布的方法。所以，對(duì)于一個(gè)聚光集熱器，光線跟蹤開始于入射到小孔的光線，并決定了接收器的光線強(qiáng)度和分布。太陽能集熱器的光線跟蹤用的是矢量圖。對(duì)一個(gè)反射平面，入射光線和反射面的交點(diǎn)和方向是確定的。表面的法線方向也是確定的，反射光線的方向沿和入射角相等的反射鏡方向。圖7.12.1給出了CPC光線跟蹤的例子

6、。7.13：入射角修正和能量平衡實(shí)際上，鏡像沒有確定的邊界，通常接收器攔截的比鏡面反射輻射要少。為了使集熱器的長(zhǎng)期性能達(dá)到最優(yōu)，有必要在面積增加引起的熱損增加和面積的減小引起的光學(xué)損失的增加之間尋找一個(gè)平衡。Lof和Duffie進(jìn)行了研究。圖7.10.1b顯示攔截系數(shù)是理想對(duì)稱聚光集熱器的焦平面的接收器大小的函數(shù)。7.13：入射角修正和能量平衡聚光器邊界誤差，位置誤差和焦距誤差都會(huì)增大或改變鏡像和攔截系數(shù)。這些誤差也會(huì)影響蓋面系統(tǒng)的吸收系數(shù)和接收器的吸收系數(shù)。這些影響可以用雙軸入射角修正來體現(xiàn)。在橫向平面，隨著入射角橫向部分的增加，?降低很快。這個(gè)影響可以通過圖7.10.2來確定。7.13：入

7、射角修正和能量平衡在縱向平面。鏡像傳播是的函數(shù)，反射比，透射比和吸收比隨著的不同而變化，是兩個(gè)主要方面的影響?？偨Y(jié)這些影響是不可能的，但是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以確定它們的數(shù)量級(jí)。圖7.13.1顯示了一個(gè)測(cè)量的入射角修正是的函數(shù)的一個(gè)例子。7.13：入射角修正和能量平衡如果槽不夠大，還有考慮邊界效應(yīng)的影響。作為第一個(gè)近似，總?cè)肷浣切拚梢缘扔趦蓚€(gè)入射角修正的乘積。當(dāng)然這些只是試驗(yàn)結(jié)果。為了估計(jì)集熱器的有效輸出，我們要估計(jì)FR和UL。計(jì)算FR的方法和平板集熱器相同。UL的值很難確定。對(duì)一些接收器的設(shè)計(jì)，一些熱損系數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還設(shè)有參考價(jià)值的。表7.13.1圖7.13.27.13：入射角修正和能量平衡Lof（

8、1962）對(duì)線性拋物線集熱器的能量平衡進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。然而這是一種特殊情形，聚光器也比最佳的要小，但是它給出了一個(gè)影響集熱器性能的重要因素的曲線。不同大小的接收器的攔截系數(shù)取決于光束分布。這些分布的平均結(jié)果如圖7.13.3所示：7.13：入射角修正和能量平衡上圖結(jié)果對(duì)應(yīng)的攔截系數(shù)如圖7.13.4所示：7.13：入射角修正和能量平衡多種能量平衡的測(cè)量結(jié)果如圖7.13.5所示：7.13：入射角修正和能量平衡這些圖可以估計(jì)設(shè)計(jì)改變的影響。比如：對(duì)這個(gè)集熱器，所用選擇性表面的發(fā)射率是0.2可以降低79%的輻射損失。然而，輻射損失不是最主要的損失。使用高反射率的表面和提高攔截系數(shù)都能降低光學(xué)損失，這才是

9、明顯地從根本上改善的方法。在研究中，反射面和接收管都是用平板在邊緣支撐的，這樣的結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生熱損。這樣的損失通過管的溫度的測(cè)量來確定。雖然在圖中沒有體現(xiàn)，但是在晴天入射的實(shí)驗(yàn)條件下，接收器表面溫度分別為100,135和175C時(shí)，其損失相應(yīng)的為3，6和10%。7.14：拋物面聚光器這一節(jié)我們計(jì)算三維拋物反射面的的集熱器的輻射吸收問題。Rabl（1976和1985）送總結(jié)了這些集熱器的重要的光學(xué)性能。對(duì)球形接收器：對(duì)于平板接收器：腔接收器可以使用拋物面聚光器提高吸收率并降低吸收表面的對(duì)流損失。如果使用腔體的近似吸收比，平板系統(tǒng)的光學(xué)性能關(guān)系式同樣適用于腔體接收器。和線性拋物線集熱器一樣，拋物面集熱

10、器的吸收能也依賴于其性能。然而，當(dāng)聚光比很高的時(shí)候，表面任意太陽能輻射吸收比的都會(huì)使表面溫度升高，所以表面通常不使用。如果沒有表面，集熱器沒有遮擋的面積吸收的能量為：入射角修正可能是中心對(duì)稱的。如果光學(xué)系統(tǒng)不對(duì)稱，必須引入雙軸或其他修正。7.15：中央接受集熱器太陽能轉(zhuǎn)換為電能時(shí)中央接受或者能量塔的概念是大型聚光集熱器應(yīng)用的基礎(chǔ)。光學(xué)系統(tǒng)包括大量定日鏡組成的場(chǎng)，每個(gè)直接輻射都被反射到一個(gè)中央接受器上。一些附加的光學(xué)現(xiàn)象也要考慮，如遮擋或阻塞?？紤]上述因素，定日鏡分開放置，只有一個(gè)因素即地面面積被覆蓋。0.3*0.5作為建議值被實(shí)際應(yīng)用。7.16：實(shí)際聚光器許多在平板集熱器中要考慮的因素在聚光集熱器中也要考慮。如運(yùn)行時(shí)的溫度上限。在系統(tǒng)運(yùn)行中，光學(xué)系數(shù)?必須保持在可允許的最高標(biāo)準(zhǔn)。攔截系數(shù)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能的函數(shù)也是集熱器