復(fù)合拋物面聚光器的構(gòu)造與應(yīng)用

復(fù)合拋物面聚光器的構(gòu)造與應(yīng)用

0復(fù)合拋物面聚光器cpc在能源行業(yè)的熱利用中，許多應(yīng)用要求的工藝溫度為100-200c。由于非聚光集熱器不能達(dá)到較高的溫度,拋物面聚光器又需要復(fù)雜的跟蹤控制,因此復(fù)合拋物面聚光器(CPC)在太陽能中溫應(yīng)用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)中介紹了復(fù)合拋物面聚光器的四種基本類型,其中3種是平板吸熱面,一種是圓柱形吸熱面。由于圓柱形吸熱面比較容易做成真空保溫,所以我們對這種形式特別感興趣。本文所討論的也主要是針對圓柱形吸熱面所設(shè)計(jì)的復(fù)合拋物面聚光器。1吸熱面為平面的復(fù)合拋物面圖1所示為文獻(xiàn)中介紹的圓柱形吸熱面的CPC聚光器。AC段為圓的漸開線,CE段上每點(diǎn)的斜率都使入射角為半接受角θc的光線反射后與吸熱面相切。這樣的設(shè)計(jì)使入射角小于等于半接受角的光線都被反射到吸熱圓上,而其它光線都不能到達(dá)吸熱圓。但是此設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)在于,當(dāng)太陽直射入射角接近半接受角時(shí),反射光線在吸熱圓上形成了焦斑。該焦斑處將得到很大的熱流密度,形成高溫點(diǎn)。由于技術(shù)原因,全玻璃真空管是目前最為經(jīng)濟(jì)有效的圓柱形吸熱元件。而該高溫點(diǎn)的存在可以使真空管由于高溫?zé)釕?yīng)力作用而受到損壞。文獻(xiàn)中介紹的圓柱吸熱面CPC也存在相同的缺點(diǎn)。為此重新設(shè)計(jì)CPC如下:對于吸熱面為平面的情況,有如圖2所示的CPC聚光器。聚光器右半支拋物面的對稱軸與聚光器對稱軸夾角為θc,而焦點(diǎn)位置在對面半支拋物面和吸熱面的交點(diǎn)。這種形式的復(fù)合拋物面應(yīng)用較多,但較難達(dá)到很高的溫度。當(dāng)采用真空管作為平板吸熱面的保溫時(shí),系統(tǒng)的成本過高,而且平板雙面都產(chǎn)生輻射熱損失,應(yīng)用于圖2所示CPC時(shí),可行性較差。由于存在圓的漸開線槽式聚光器(ICC),其特點(diǎn)是180°范圍內(nèi)任何光源發(fā)出的光線經(jīng)反射后都會落在圓柱形吸熱面上,即在180°范圍內(nèi)光學(xué)效率為1而聚光比為1。所以,當(dāng)吸熱面為圓柱時(shí),設(shè)計(jì)一個半接收角為θc的固定式槽式聚光器最簡單的方法就是在漸開線上加某種反射面,當(dāng)入射角度在±θc角度范圍內(nèi)時(shí),反射面將光線反射進(jìn)入漸開線反射面,而入射角在±θc角度之外時(shí),反射光線不進(jìn)入漸開線反光面。現(xiàn)成的符合條件的反光面就是拋物面,若使其對稱軸與漸開線對稱軸夾角為θc,而焦點(diǎn)位置在對面半支反光面的漸開線與拋物線的交點(diǎn)(圖3),則結(jié)果正符合上述要求。即可以把圖2所示的平板吸熱面CPC和ICC結(jié)合,設(shè)計(jì)圓柱吸熱面的CPC。2最大聚光比g對于吸收率為零的反射面來說,上述構(gòu)造方法十分理想。但實(shí)際情況下,這種作法可能導(dǎo)致焦點(diǎn)處的反光膜高溫?fù)p壞。我們可以將焦點(diǎn)向內(nèi)或向外推,使焦斑處的聚光比小于10(假使反光面的吸收率為0.1,其吸熱量不會大于無聚光時(shí)的黑體吸熱量)。兩種方式的結(jié)果將有所不同,前一種寧可大于±θc角度時(shí),光學(xué)效率不為零;而后一種寧可小于±θc角度時(shí),光學(xué)效率達(dá)不到1。顯然,前一種角度范圍較寬而拋物線p值較小,能夠達(dá)到的最大聚光比減小了,相當(dāng)于增大了θc;后一種則正相反,相當(dāng)于減小了θc。具體情況應(yīng)當(dāng)在跟蹤計(jì)算中驗(yàn)證。為了加工方便,漸開線和拋物線結(jié)合點(diǎn)也應(yīng)當(dāng)光滑,即法線方向相同。3漸開線上的法線方向?yàn)榱司酃馄鞅容^容易加工,漸開線與拋物線的結(jié)合點(diǎn)處應(yīng)保持光滑?？梢酝ㄟ^下述方法確定漸開線與拋物線的結(jié)合點(diǎn)。圓的漸開線具有這樣的特點(diǎn),即漸開線上任意一點(diǎn)的法線與母圓相切,切點(diǎn)到漸開線初始點(diǎn)之間圓弧的角度就是漸開線的漸開角φ。根據(jù)這一特點(diǎn)可以確定漸開線上每一點(diǎn)的法線方向。對于入射角為θc的光線,漸開線上?=3π4+θc2?=3π4+θc2點(diǎn)的反射線與聚光器對稱軸垂直。因此在這一點(diǎn)外接拋物線時(shí),可以將焦點(diǎn)定在結(jié)合點(diǎn)向?qū)ΨQ軸引出的射線的任意一點(diǎn)上,非常靈活。選定焦點(diǎn)后,可以用圖2所示的方法構(gòu)造拋物線。由于這樣構(gòu)造的拋物線在結(jié)合點(diǎn)處將入射角為θc的光線也反射為垂直于聚光器對稱軸,因此結(jié)合點(diǎn)處漸開線的斜率與拋物線的斜率相同,即結(jié)合點(diǎn)是光滑的。4漸開線間隙設(shè)計(jì)由于真空管外管的存在,CPC不能與吸熱面直接接觸,而且在實(shí)際的施工中,必需允許一定的安裝誤差。因此必需解決理想聚光器和吸熱面之間間隙的問題。文獻(xiàn)提供了3種解決的方案:(i)減小吸熱面的尺寸;(ii)將聚光器接近吸熱面的部分截去;(iii)改變吸熱面形狀。對于本文所論的圓柱形吸熱面,第一種方案帶來了太大的損失;第二種方案當(dāng)間隙較大時(shí)失去了漸開線應(yīng)有的形狀,其效果也不理想。最后一種方案并不現(xiàn)實(shí)。文獻(xiàn)中對于圓柱吸熱面還有另外的方法即直接把吸熱面的位置偏離設(shè)計(jì)位置,得到了比第一種方案更小的損失,但損失仍然偏大。針對圓柱吸熱面,本文準(zhǔn)備介紹另外一種間隙設(shè)計(jì)方法。如圖4所示,對漸開線采用提前量,即漸開線的起始位置取在了聚光器對稱軸的左面。所得到的漸開線比原來的漸開線開口面積增加了b,若提前角度為α,則有:b=rα。關(guān)于聚光器對稱軸對稱的兩根漸開線互相截取,為吸熱面和聚光器之間留下了間隙,如圖5所示。按照文獻(xiàn)給出的方法計(jì)算時(shí),這種設(shè)計(jì)的空隙損失與第二種方法相同:L=1π{2g/r+(g/r)2???????????√?arccos[r/(g+r)]}L=1π{2g/r+(g/r)2-arccos[r/(g+r)]}式中,g——漏光間隙;r——圓形吸熱面的半徑;g+r——等于吸熱面圓心到A點(diǎn)的距離(圖5)。而采用這種設(shè)計(jì)方法,聚光器的幾何聚光比比第二種方法有所增加。5熱應(yīng)力的組織與文獻(xiàn)提到的圓柱吸熱面復(fù)合聚光器相比,本設(shè)計(jì)更具實(shí)用價(jià)值:1)聚光器右半支拋物線的焦點(diǎn)靠近左半支拋物線的起