聚光設計與集熱器

1、第三章 聚光設計與集熱器3.1 聚光原理聚光原理 太陽聚光設計的意義：太陽聚光設計的意義： 非聚光情況下，太陽能集熱工質(zhì)的溫度一般低于非聚光情況下，太陽能集熱工質(zhì)的溫度一般低于100。 為提高工質(zhì)溫度從而擴大應用范圍，或者為提高為提高工質(zhì)溫度從而擴大應用范圍，或者為提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，需要采用適當?shù)木酃馓柲茈姵氐墓怆娹D(zhuǎn)換效率，需要采用適當?shù)木酃夥绞剑瑢⒆匀粻顟B(tài)下能量密度較低的太陽輻射能匯方式，將自然狀態(tài)下能量密度較低的太陽輻射能匯聚到很小的接受表面上，以產(chǎn)生高溫工質(zhì)或高光通聚到很小的接受表面上，以產(chǎn)生高溫工質(zhì)或高光通量。量。 3.1.1 聚光的必要性聚光的必要性 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)熱

2、電轉(zhuǎn)換效率與聚光比及吸熱器溫度之間的關系兩種基本的聚光形式1. 反射式聚光2. 折射式聚光3.1.2 拋物面反射聚光n拋物面焦點上的光源（焦點）所產(chǎn)生的平行光束2z4fx拋物線方程：實際太陽光線所產(chǎn)生的成像n太陽到達地球表面的光線并非平行光，而是張角為32的發(fā)散光，因此不可能完全聚焦。經(jīng)拋物面聚焦后所產(chǎn)生的圖像寬度W，隨著反射點P的位置不同而變化。太陽圖像寬度W計算公式4f16W=1tancos (cos )聚光拋物面實例3.1.3 拋物面的離散化 線性菲涅爾聚光系統(tǒng)n當為提高聚光比而擴大拋物面時，會產(chǎn)生如下問題：（1）拋物面的重量及轉(zhuǎn)動慣量隨尺度增大而急劇增大，為跟蹤設計帶來困難。（2）拋物

3、面過大難以解決風荷載問題。（3）連續(xù)拋物面的精確機械加工不容易實現(xiàn)。 此外，在普通拋物面聚光器中，吸熱器必須和集熱面一同轉(zhuǎn)動，造成無謂的動力消耗。線性菲涅爾聚光系統(tǒng)（Linear Fresnel ReflectorLFR), 因由法國工程師Augstin-Jean Fresnel 發(fā)明而得名。n每一個帶狀鏡元的傾角和跟蹤速度均不相同，需要進行具體的設計計算。西班牙Novatec Biosol公司建造的PE-1太陽能電站的LFR鏡場。該電站2009年成功試運行，是世界上第一座LFR型電站。3.1.4 折射式聚光設計n從平凸透鏡到菲涅爾透鏡 通常聚光比愈大則透鏡愈厚。為了減小透鏡厚度，將凸面做成階

4、梯球面，同樣能夠達到很好的聚光效果。 進而，為了簡化制作工藝，又將階梯球面近似地用平面代替，從而形成了“菲涅爾透鏡”。 菲涅爾透鏡的設計主要是根據(jù)給定的焦距f來具體確定每一個階梯平面的傾角。菲涅爾透鏡的設計原理22rWWndrd22tan(tan)(tan) 階梯平面傾角與折射光線傾角、及透鏡材料的折射率n的關系：階梯面傾角與當?shù)仄矫鎱?shù)r、W及焦距d之間的關系：nsintancos 菲涅爾透鏡聚光3.2.1 聚光比的定義（1）幾何聚光比集熱器的收光孔面積Aap與吸熱器的吸熱面積Aabs之比。apgabsACA3.2 聚光比聚光比apeabsICI 由于鏡面在光學加工過程中存在加工誤差，導致通

5、過收光孔的射線并不是都能夠匯集到吸熱面上，因此，Ce總是小于Cg。二者之間的關系為：e0gCC 0稱為“光學散射損失因子”。（2）輻射通量聚光比 聚集到吸熱器上的平均輻射強度Iab與入射太陽輻射強度I之比。（3）拋物面聚光器的理論聚光比 設右圖所所示的拋物面，其焦平面與其收光孔重合。 假如太陽光線是絕對平行的，則右圖拋物面聚光器的聚光比應趨向于無窮大，因光線都聚焦在一點。 而事實上，由于太陽圓盤有32的張角，所以拋物面所能夠達到的極限聚光比只是2a sa s11CF11CFmax,max,sinsin槽式拋物面碟式拋物面式中Fa,s為拋物面的收光孔對太陽所張的角系數(shù)，代表入射太陽光與拋物面法向

6、z之間的夾角， 在1690之間變化。3.2.2 吸熱器溫度與聚光比的關系12444(1)singsunabsambCTTT 對于任何形式的集熱-吸熱系統(tǒng)，通過熱平衡分析可以導出其吸熱器的運行溫度Tabs與幾何聚光比Cg之間存在如下關系：式中 吸熱器以導熱和對流方式損失能量所占總接收的輻射能的份額。 吸熱器的吸收率。 聚光器表面對太陽輻射的反射率。 太陽圓盤所張的半角，大約等于4.7mrad, 吸熱器的發(fā)射率。Tsun 太陽表面溫度。Tamb 鏡場環(huán)境溫度。sinrR聚光比與吸熱器工作溫度之間的關系圖聚光比與吸熱器工作溫度之間的關系圖 LFR集熱器的聚光比計算3.2.3 LFR鏡場的聚光比LFR

7、鏡場光線反射示意圖2111ngjjjjCDdDH上式表明，同樣的鏡元當其與吸熱器的距離不同時，它對聚光比的貢獻不同。LFR鏡場聚光比與鏡元個數(shù)及塔高的關系 3.3 非聚光型集熱器非聚光型集熱器太陽能集熱器分類太陽能集熱器分類跟蹤類型集熱器類型吸熱體類型聚光比范圍使用溫度范圍（）靜止平板平板130-80真空管管型150-200復合拋物面管型1-560-240單軸跟蹤5-1560-300線性菲涅爾管型10-4060-250圓柱槽式管型155060-300拋物面槽式管型10-8560-400雙軸跟蹤碟式點6002000100-1500塔式-定日鏡點3001500150-2000n結(jié)構(gòu)與外形3.3.1

8、 平板集熱器n采光面等于集熱面，聚光比C=1；n不跟蹤太陽，固定安裝；n生產(chǎn)成本低廉；n熱損失較大，介質(zhì)溫度較低（80）。平板集熱器的基本特點工作原理熱損失與集熱效率uQAG對流熱損失和輻射熱損失的影響因素（a）玻璃蓋板的特性（b）保溫層（c）吸熱體表面特性（d）風速集熱效率可用下式表示：upoutinQmc TT()式中 Qu 為集熱器內(nèi)工質(zhì)的加熱功率，W； A 集熱面積，m2； G 太陽總輻照度，W/m2。n平板集熱器熱損失大的主要原因封閉腔內(nèi)空氣的傳熱作用n從平板集熱向真空腔體集熱轉(zhuǎn)換的困難 （1） 真空封裝技術 （2） 光譜選擇性吸收涂層n熱水保溫瓶膽的啟示3.3.2 真空管集熱器全玻

9、璃真空集熱管結(jié)構(gòu)示意圖全玻璃真空集熱管結(jié)構(gòu)示意圖 1一內(nèi)玻璃管；一內(nèi)玻璃管； 2一外玻璃管一外玻璃管; 3一選擇性吸收涂層；一選擇性吸收涂層； 4一真空；一真空；5一彈簧支架一彈簧支架; 6一消氣劑一消氣劑主要技術特點主要技術特點（1）特種玻璃）特種玻璃 采用硼硅玻璃采用硼硅玻璃 其熱膨脹系數(shù)?。ㄆ錈崤蛎浵禂?shù)?。?.310-6）；太陽）；太陽透過比高（透過比高（0.90）；耐熱溫差大于）；耐熱溫差大于200；機械強度較；機械強度較高。高。 （2）高的真空度）高的真空度 內(nèi)、外管之間的間隙約為內(nèi)、外管之間的間隙約為5mm，間隙抽，間隙抽真空至真空至10-3Pa。 鋇鋇鈦消氣劑的作用：能在真空集熱

10、管運行時吸收管內(nèi)鈦消氣劑的作用：能在真空集熱管運行時吸收管內(nèi)釋放出的微量氣體，以保持管內(nèi)真空度。釋放出的微量氣體，以保持管內(nèi)真空度。（3）選擇性吸收涂層）選擇性吸收涂層 采用磁控濺射工藝，將鋁采用磁控濺射工藝，將鋁氮氮/鋁等鋁等合金材料均勻沉積在內(nèi)管表面上，以此吸收太陽光線。合金材料均勻沉積在內(nèi)管表面上，以此吸收太陽光線。 工作原理工作原理應用實例應用實例3.4.1 碟式系統(tǒng)碟式系統(tǒng)n碟式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)碟式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 拋物型聚光碟拋物型聚光碟 立軸立軸 支撐與水平旋轉(zhuǎn)支撐與水平旋轉(zhuǎn) 橫軸橫軸 子午面旋轉(zhuǎn)子午面旋轉(zhuǎn) 吸熱器吸熱器 斯特林發(fā)動機斯特林發(fā)動機 發(fā)電機發(fā)電機3.4 點聚焦集熱器點聚

11、焦集熱器碟式太陽能發(fā)電陣列裝置裝機容量50萬千瓦，使用3.4萬個碟型斯特林系統(tǒng)，地址：美國加利福尼亞州莫哈韋沙漠碟式聚光發(fā)電系統(tǒng)的技術特點碟式聚光發(fā)電系統(tǒng)的技術特點（1）需要雙軸跟蹤系統(tǒng)。（2）聚光器、吸熱器和斯特林發(fā)動機一體化，整體轉(zhuǎn)動。（3）斯特林機的制造成本高，而且可靠性低，壽命短，目前商業(yè)化程度低。（4）由于重量與可用空間限制，碟式聚光器無法與蓄熱系統(tǒng)相結(jié)合，導致系統(tǒng)頻繁啟動、停止。（5）美國一碟式實驗系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換率達到31，保持著太陽能發(fā)電技術的最高效世界紀錄。 斯特林發(fā)動機簡介斯特林發(fā)動機簡介n斯特林太陽能發(fā)電裝置斯特林太陽能發(fā)電裝置 斯特林太陽能發(fā)電裝置是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的一

12、種新型動力裝置。原理是自動跟蹤斯特林太陽能發(fā)電裝置是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的一種新型動力裝置。原理是自動跟蹤太陽能聚光鏡將太陽光聚焦于發(fā)動機頭部，加熱高壓氫氣膨脹推動活塞做功，通過曲太陽能聚光鏡將太陽光聚焦于發(fā)動機頭部，加熱高壓氫氣膨脹推動活塞做功，通過曲柄連桿機構(gòu)帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)化成電能輸出。柄連桿機構(gòu)帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)化成電能輸出。 斯特林循環(huán)的壓斯特林循環(huán)的壓-容圖和溫容圖和溫-熵圖熵圖（請學生觀看網(wǎng)上工程熱物理所斯特林機的工作演示，網(wǎng)址：http:/ 塔式塔式-定日鏡系統(tǒng)定日鏡系統(tǒng)定日鏡形式定日鏡形式吸熱塔的結(jié)構(gòu)形式混凝土塔鋼塔鋼塔3.5.1 拋物槽式聚光器拋物槽式聚光器3.5 線聚焦集熱器線聚焦集

13、熱器n拋物槽式聚光器的結(jié)構(gòu)拋物槽式聚光器的結(jié)構(gòu)與部件與部件 拋物型聚光面拋物型聚光面 長條型支架長條型支架 水平水平橫軸橫軸 子午面旋轉(zhuǎn)子午面旋轉(zhuǎn) 水平管吸熱器水平管吸熱器 柔性連接管柔性連接管 拋物槽式聚光器實例拋物槽式聚光器實例設計運行溫度400、用于拋物槽式集熱的真空管，長度2米（北京市太陽能研究所）。n結(jié)構(gòu)較簡單，技術相對成熟n聚光比屬于中低范圍（C=10-85），相應的集熱溫度在400以下。n由于吸熱管道連同集熱表面轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)自身動力消耗較大。n考慮自重與風荷載等因素，實用中單個拋物集熱面的收光孔面積一般不超過100m2。需要更大的聚光面積時要采取多個拋物槽串聯(lián)的形式。拋物槽式聚光的

14、優(yōu)缺點拋物槽式聚光的優(yōu)缺點拋物狀鏡元3.5.2 線性菲涅爾式線性菲涅爾式(LFR)聚光器聚光器LFR聚光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)聚光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)LFR聚光鏡場不同月份鏡元傾角的變化LFR聚光設計要點：鏡元形狀與尺度鏡元布置方式太陽跟蹤裝置吸熱器管路系統(tǒng)吸熱器外形與結(jié)構(gòu)n鏡場余弦損失（a） 東西鏡場與南北鏡場（鏡元水平布置） 東西鏡場：鏡元分列吸熱器管線東西兩側(cè)，吸熱器呈南北走向。 南北鏡場：鏡元分列吸熱器管線南北兩側(cè)，吸熱器呈東西走向。（b）余弦損失的衡量標準余弦系數(shù) 鏡元反射的余弦損失是指相對于陽光垂直照射反射面所能得到的最大輻射能而言的減弱程度，它與光線入射角的余弦有關。 余弦系數(shù)定義為光學損失分析光學損

15、失分析icosS Ncoscossinsincos ssss太陽高度角 s 太陽方位角 鏡元傾角南北鏡場-坐標系與太陽光路（c）余弦系數(shù)與鏡場的布置方式有關n從余弦效率的年平均值來看，在地球的低緯度地區(qū)，采取東-西兩側(cè)布置的鏡場余弦效率較高。n在中高緯度地區(qū)，東西場和南北場雖然年平均效率相當，但南北場在冬季的余弦效率較高，因此更有優(yōu)勢。 LFR聚光集熱系統(tǒng)采用單軸跟蹤，故反射光在吸熱器上會沿其軸向隨著時間變化而移動。當太陽光線入射角度較大時，部分反射光將從吸熱器末端移出，形成末端偏移溢出損失。偏移程度越大，末端損失程度也越大。n吸熱器末端溢出損失對于南北場，反射光偏移沿東西方向運動，用e表示，

16、22222cos+sin1 cossinssssHde 鏡場的縱向長度越長，偏移對系統(tǒng)光學效率的影響越小。以西班牙的參考PE-1電站為例，其LFR鏡場縱向長度為980m，由南北場和東西場引起的最大末端偏移溢出損失分別占總輻射的4.6%與2.6%，年平均末端偏移損失在1%左右。 PE-1電站末端偏移量鏡元位置的變化南北場東西場n 鏡元的陰影與遮擋問題鏡元的陰影與遮擋問題n大氣傳播衰減大氣傳播衰減 由較長的反射光傳播路徑由較長的反射光傳播路徑Tp而產(chǎn)生，光路愈長，衰減損失愈而產(chǎn)生，光路愈長，衰減損失愈大?？捎孟率接嬎愦髿鈧鞑バ?，大?？捎孟率接嬎愦髿鈧鞑バ剩?82atppp0 99321 1 1

17、76 10 T1 97 10 TT1000m. 計算表明，對于反射光路徑在50m以下的鏡場，由大氣傳播引起的系統(tǒng)光學損失為1%到1.3%之間，東西場效率稍高于南北場效率。 什么是鏡場的陰影和遮擋？ PE-1太陽能發(fā)電站的鏡場參數(shù)：塔高7.4m，鏡元21行，鏡元寬0.8m，長800m，鏡元之間0.16m等間距布置，線性吸熱器置于南北鏡場中央。 陰影和遮擋損失通常用“陰影與遮擋效率”來衡量，它通過被遮擋或陰影面積之和與鏡元總面積A之比來定義，AA1A blockshadowsb陰影和遮擋所產(chǎn)生的影響怎樣衡量？實際鏡場的陰影和遮擋效率以西班牙PE-1太陽能電場為例PE-1鏡場平均陰影與遮擋效率隨時間

18、的變化 PE-1鏡場鏡元間距對陰影與遮擋效率的影響復合拋物面聚光集熱器截面形式復合拋物面聚光集熱器截面形式(四種吸熱器形式）四種吸熱器形式）3.5.3 復合拋物面聚光器復合拋物面聚光器 由美國學者由美國學者Winston發(fā)明，早起發(fā)明，早起用于高能物理中的射線檢測，用于高能物理中的射線檢測，1974年開始用于太陽能技術。年開始用于太陽能技術。特點特點:聚光而不成像聚光而不成像, 不需跟蹤不需跟蹤, 只需隨季只需隨季節(jié)少量調(diào)整角度節(jié)少量調(diào)整角度聚光比一般在聚光比一般在10以下以下 工作溫度在工作溫度在80250之間之間適合于太陽能采暖和制冷系統(tǒng)適合于太陽能采暖和制冷系統(tǒng)復合拋物面聚光器的聚光比復合拋物面聚光器的聚光比聚光比定義為收光孔面積與吸熱器面積之比，即1dC2 r每一側(cè)的反射面由拋物面和圓漸開線組成；G和F分別為左、右拋物面的焦點。分析各幾何部分的相互關系，可以得到復合拋物面的最大聚光比為1C222maxsin()sin 復合拋物面集熱與平板集熱的效率比較復合拋物面集熱與平板集熱的效率比較（1）雙軸跟蹤與單軸跟蹤 雙軸跟蹤用于點聚焦裝置（塔式、碟式） 單軸跟蹤用于線聚焦裝置（槽式、LFR式）（2）開環(huán)控制與閉環(huán)控制 開環(huán)控制不需要檢測太陽位置，僅僅依靠預先計算好的當?shù)氐奶栆曔\動規(guī)