毕业设计（论文）-基于线性菲涅尔反射聚光的接收器优化研究.doc

摘要提供全套毕业论文图纸，欢迎咨询基于线性菲涅尔反射聚光的接收器优化研究摘要太阳能热发电系统中的核心部件是接收器，承载着光热转换的能力，其性能好坏直接关系着系统温度的提升，效率的提高。经过对当前几种较经常使用的太阳能接收器，如直管式接收器、真空管接收器、空腔式接收器进行对比，发现直管式接收器和真空管接收器构造较简单，而空腔式接收器能够达到更高的系统温度，吸热效果更好。由于空腔式接收器中针状放射形吸收体的加工和安装所需的技术要求高，本文提出了一种新型结构的吸收体，研究结果表明，与其他吸收体相比，此种构造的吸收器可以达到良好的强化换热的效果，系统效率也有所提高。对于真空腔吸收器而言，吸收器的效率与腔体内壁温度成正比，与外壁温度成反比，综合提高内壁热吸收效率和降低外壁温度，本文选用内外普遍认可的具有较高热力学性能的的有机硅涂层材料作为腔体的结构材料。此外，采用真空腔技术，大大降低了腔体外壁的温度，系统效率也有所提高。最后，本文对接收器的几何尺寸进行优化设计，探究了腔体吸收器在不同几何尺寸下的热性能。综上所述，优化后的腔体接收器应用于基于线性菲涅尔反射镜聚光器系统中，能够有效的聚集太阳能，提高太阳能集热器的效率，降低生产成本，发展前景广阔。关键词：太阳能，菲涅尔反射镜，聚光器，腔体接收器，优化56abstractabstractthe receiver is the central part of solar 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 severalreceiver of more often used for the current, such as straight pipe receiver , vacuum receiver, cavity 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 and installation in needle distribution , this paper puts forward aabsorberof 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 improved. 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 recognized 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 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 the solar collector, reduce production cost, broad prospects for development. keywords: solar, photovoltaic, fresnel reflecting mirror, a condenser, a receiver, optimization目录目录基于线性菲涅尔反射聚光的接收器优化研究1摘要iabstract错误！未定义书签。第1章绪论11.1引言11.2线性菲涅耳反射式(lfr)聚光器研究现状21.3基于线性菲涅耳反射(lfr)聚光器的腔体接收器的研究现状31.4本文的主要研究内容6第2章线性菲涅尔太阳能反射聚光器理论分析72.1线性菲涅耳聚光系统跟踪倾角几何矢量算法82.1.1 lfr跟踪倾角算法82.2菲涅尔太阳能聚光器光学矢量分析102.2.1矢量计算102.3聚光系统理论分析122.3.1无量纲参数132.3.2理论聚光比142.3.3面积利用率162.4本章小结17第3章菲涅尔反射式太阳能集热器腔体接收器集热性能183.1引言183.2基于腔体吸收器的太阳能聚光能量系统热力学分析183.2.1聚焦式太阳能系统的热力过程183.2.2基于腔体吸收器热效率热力学分析193.3腔体吸收器性能研究213.3.1概述213.3.2四种腔体吸收器的结构223.3.3 四种腔体吸收器的光学性能模拟233.3.4吸收器热效率的模拟测试错误！未定义书签。3.3.5 四种腔体吸收器热损失的理论研究283.4腔体吸收器的结构优化303.4.1三角形腔体吸收器303.4.2正方形腔体吸收器33第4章菲涅尔反射式太阳能集热器腔体吸收器集热性能184.1线聚焦三角腔体吸收器的热性能364.1.1数学模型错误！未定义书签。4.1.2物性参数384.1.3边界条件的设定394.1.4网格划分和求解模型394.1.5模拟结果及分析404.2 点聚焦三角腔体吸收器的热性能分析444.2.1 数学模型及边界条件的设定444.2.2网格划分和求解模型454.2.3模拟结果及分析464.3 本章小结49结论50致谢52第1章 绪论第1章绪论1.1引言随着社会经济发展的不断加快,能源的消耗日益增加。据统计,按照现有的储量和开采速率估计,传统能源(例如煤炭、石油、天然气)只能维持一百多年1。大量的开采使用和浪费导致能源供应短缺和价格上涨，从而制约着经济的发展。大力发展可再生能源,提高传统能源的利用率,用可再生能源取代化石能源,是缓解能源危机的长远战略。而随着能源危机的日益严峻，人类在节约能源提高传统化石能源利用效率的同时，也必须大力开发新能源太阳能作为可再生能源的一种，在节约常规能源保护自然环境减缓气候变化中有极大的意义。我国正处于经济飞速发展的阶段，对能源供应提出了更高的要求，加快开发利用可再生能源已成为我国应对日益严峻的能源环境问题的必由之路。可再生能源是指自然界中可以不断再生，永续利用的能源，具有取之不尽，用之不竭的特点，主要包括太阳能，风能，水能，生物质能，地热和海洋能等1。可再生能源对环境的危害最小,甚至没有危害,并且分布较为广泛。在各种可再生能源中,太阳能是最根本的能源,使用最为普遍,储量最为丰富,对环境污染少,被称为永久的能源,受到各国重视。太阳能(solar energy) 般是指太阳福射能,是地球生物赖以生存的能量源泉。太阳能的利用有多种途径,现有的石油、煤炭,绿色植物等资源都可以视为太阳能的间接利用。太阳能占新能源总量大部分,是新能源的主体。近半个世纪以来,特别是近三十年来,太阳能的研究越来越受到人们的重视,也取得了阶段性成果,例如太阳能热水器、光伏电池板、太阳能建筑一体化、太阳热发电等等。要实现将太阳能转化为可代替传统能源的主要能源，现有技术还是存在着诸多缺点，如：成本高，效率低，设备维护困难等问题。2011年12月，国家能源局发布了可再生能源十二五规划明确了将太阳能热发电作为一个发展的重点，目标在太阳能日照条件好可利用土地广具备水资源条件地区，开展热发电项目的示范，并于2015年达到1000mw的发电规，同时规划中还提出了进行太阳能海水淡化以及太阳能采暖制冷试点示范，为利用可再生能源解决沿海城市缺水问题和大规模中高温工业应用摸索经验相关鼓励政策的出台，将有力促进太阳能光热技术在我国的研究与应用2。太阳能热利用根据温度范围不同大致可以分为低温，中温，高温利用。低温利用主要指温度小于80c的范围的应用，主要有太阳能热水，太阳能供暖和太阳能除湿空调等；中温热利用温区在80c到250c，主要的应用形式包括太阳能制冷，太阳能锅炉和太阳能海水淡；高温利用主要指250c以上温区的太阳能利用，主要包括太阳能热发电。太阳能热利用方式太阳能具有取之不尽，用之不竭清洁等优势，但是由于太阳能能流密度较低（大气层外围1353 w/m2),在地面一般小于w/m2）,能量品位不高，并存在昼夜的间歇性的缺点。采用跟踪聚光型太阳能集热器，可以获得较高品质的热能。因此，利用聚焦技术可以提高太阳能光热转换温度，能够实现太阳能在中高温领域的应用在太阳能中高温利用中。聚焦型太阳能集热器分为点聚焦和线聚焦两类，点聚焦有碟式和塔式，线聚焦有槽式和线性菲涅耳式，能获得较高热能，是高品质热源，属于中高温应用。在太阳能中高温利用中，目前的主要研究方向是中温太阳能工业加热、太阳能制冷与空调和太阳能高温热发电技术。槽式和线性菲涅耳式属于线性聚光，目前已经实现商业化应用。碟式和塔式属于点聚焦，由于成本高且具有很高的技术难度一直处于示范阶段。因此，线聚焦太阳能集热器在中高温利用方面占有重要地位。线性菲涅尔太阳能集热器主要由光学聚光器、接收器、太阳跟踪控制装置三部分构成，其接收器核心部件是吸收器3。现研究的吸收器主要有两种：真空管吸收器和腔体吸收器。真空管吸收器由表面镀有选择性膜层的金属内管和玻璃外套管组成，内管与外管之间为真空，以减少对流和导热损失，通常称为槽式真空集热管。真空集热管对阳光的吸收率高，工作时的发射率低。但是，为了保持其长期高真空度及选择性涂层的稳定，金属管与玻璃管间封接技术要求高，工艺复杂，制作成本相对较高4。腔体吸收器结构为一槽式腔体，腔体内壁涂有选择性涂层，外壁包裹隔热材料。腔体吸收器与真空管相比，结构更为简单，经聚焦的辐射热流几乎均匀地分布在腔体内壁，具有较低的投射辐射能流密度，开口有效温度的降低使得热损失也随着降低，有较好的热稳定性5，腔体吸收器的腔体内壁温度较为平均，有效减小了内壁与工作流体间的温差，腔体开口有效温度降低，进而热损失降低6；腔体吸热器吸收热量过程发生在焦点后，因为其内表面积足够大，向工作流体传热效果较好7，而且在同样工况下，流体平均温度大于230时，应用腔体吸收器的集热效率大于真空管8。现研究表明腔体吸收器较真空管吸收器经济效益更好，在市场竞争中更有优势。1.2线性菲涅耳反射式(lfr)聚光器研究现状线性菲涅尔反射(linear fresnel reflector简称lfr)聚光器,由多组水平布置的窄带形平面镜构成,每组反射镜都有一定的倾角,将入射的太阳光反射到公共的焦线上9。接收器安装在反射镜的公共交点处，吸收聚焦的太阳能。lfr聚光器采用固定的接收器、微弯的平面反射镜,具有大聚光比、低风载稳定性以及占地面积小等优点,降低了单位峰值功率的投资成本和发电成本。lfr聚光器可用于大型太阳能热发电,小型蒸汽发电工程,蒸汽式制冷工程等9。线性菲涅尔反射式热发电系统主要由线性反射镜阵列接收器和发电系统组成线性反射镜阵列将太阳光汇聚到位于焦点接收器，在接收器中太阳光转化成热能被接收器中流动的工质将热量带走，供用热端使用，从而实现太阳能光热转换，其镜场实际上是离散的抛物槽式太阳能反射镜阵列用线性平面镜代替抛物镜面能降低加工难度，减低成本，地面利用率高。抛物槽式集热器最大的不同在于，菲涅尔反射镜太阳能集热器的接收器可以固定不随跟踪机构运动，减少了对运动机构的要求，并降低了驱动机构的耗电量。二十世纪六十年代，giorgio francia10,11首先提出了双轴跟踪线聚焦菲涅尔反射镜太阳能集热系统，随后，choudhury，negi，goswami等人12-16对菲涅尔反射镜太阳能集热器结合不同接收器的光学性能和热性能进行了详细的理论与实验研究以色列的paz公司在二十世纪九十年代对采用cpc二次聚光器和真空管式接收器进行了深入研究发现了线性菲涅尔反射镜太阳能集热系统存在一个主要问题：相邻的反射镜容易互相遮挡，要克服这一问题就要增加相邻反射镜阵列的间距和太阳能接收器的高度，这直接导致了集热器占地面积变大接收器安装维护难度增加等问题为解决该问题17。澳大利亚悉尼大学的mills等人18提出了紧凑式线性菲涅尔反射镜太阳能集热系统，在一个反射镜阵列布置两个太阳能接收器，采用这种方案可以在一定程度上解决反射镜相互遮挡的问题，且该方案可以用于大规模太阳能热发电系统太阳能空调系统和太阳能工业加热系统。1.3基于线性菲涅耳反射(lfr)聚光器的腔体接收器的研究现状早在上世纪七八十年代，当人们对玻璃金属真空管吸收器的研究深入到一定的程度，许多学者转而研究没有真空夹层的腔体吸收器。1976年boyd19提出了没有真空夹层的圆柱形腔体吸收器，光线接收面为圆柱的一个底面，导热液体在环形圆槽内流动，圆柱的外壁包裹以保温材料以减小热损失。八十到九十年到，许多学者对这一类型结构的腔体吸收器进行了研究，但当时的腔体吸收器的结构单一，在中温应用中热效率不高，对其的研究很快被搁置了。虽然只是昙花一现，但提出没有真空夹层的腔体吸收器的想法却是为后来腔体吸收器的创新、完善、应用做出了贡献。近年来线性菲涅尔反射聚光器被提出，与真空管吸收器相比腔体吸收器与其结合更有优势，腔体吸收器的研究又被提到研究热点上。针对不同腔体吸收器，菲涅尔聚光器的设计也不相同。林蒙20根据前人在塔式腔体吸收器上的进展与不足，提出了出了两种基于腔体吸收器的菲涅尔反射式聚焦型太阳能集热器模型。一种是利用单轴跟踪的线聚焦反射镜聚光器，腔体吸收器为三角形结构，腔体内壁上安装紧密排列的铜圆管。另一种利用双轴跟踪的点聚焦菲涅尔反射镜聚光器，采用圆弧形二次聚光装置将光线聚集于安装在地面上的圆锥空腔腔体吸收器内。两种模型分别有各自的优缺点。作者还从实验与理论计算量方面得出两种腔体吸收器的最大光学效率即太阳光线垂直入射在反光镜上时，分别为77.46%，65%。实验结果与理论结果误差不大。研究以腔体接收器作为吸收器的线性菲涅尔集热器中热损失中辐射热损失占主导地位，而腔体吸收器的底端开口处为主要的热损失通道。腔体吸收器底端开口处通常分为无盖板和有盖板。s.flores larsen21研究用于线性菲涅尔反射聚光器的空腔梯形腔体和内部有一套管的腔体腔体接收器的热量损失。测量显示梯形腔体的上部的和下部对流区稳定度相对稳定，91%左右的热转移发生在底部的透明窗口处，腔体吸收器的热损系数与其内部的平均温度成正相关。r.manikumar22通过数值模拟与与实验研究分析得出结合线性菲涅尔作为聚光器的梯形腔体吸收器有盖板的较之无盖板的总热损失系数更小。戴贵龙23等人建立了具有石英窗口的太阳能高温吸收器的能量传递与转换模型，分析得出吸热腔温度分布对热转换效率有显著影响，腔体内温度分布峰值离太阳入射窗口越远，效率越高。其他条件相同时，增大几何聚光比，将地热转换温度，提高壁面吸收率可提高热转换效率。腔体吸收器的几何结构也是影响其热损失的一个主要方面，不同几何结构的腔体吸收器的热损，热迁移因子，效率因子各不相同，这些运行参数与性能指标也是影响集热器参数的重要条件。j facao24等人对运用梯形结构腔体吸收器的线性菲涅尔反射镜太阳能集热器的光学性能以及热性开展了全面研究。得出集热温度从110升至285时，热损失系数增加了2.96 w/(m2k)。谢文韬25提出了基于线性菲涅尔反射镜聚光器的八种结构的腔体吸收器，三角形，圆弧形，半圆形，长方形，正梯形，反梯形，复合梯形，曲面形，利用tracepro软件的光线跟踪，模拟出八种腔体吸收器内部的光线及热量分布，得出的能量分布图。研究结果显示，采用圆弧形腔体吸收器、长方体形腔体吸收器、正梯形腔体吸收器、复合梯形腔体吸收器和曲面形腔体吸收器的线聚焦菲涅尔透镜太阳能集热器具有较好的光学性能，从腔体开口射入的光线经过腔体内壁面的多次反射和吸收，没有光线逸出腔体吸收器，而其它三种线聚焦腔体吸收器或多或少有光线从腔体开口处逸出。但是，考虑腔体吸收器内的能量分布，则等边三角形腔体吸收器和圆弧形腔体吸收器内部的能量分布比其它六种腔体吸收器要均匀，能够得到较好的热性能。圆弧形腔体吸收器与三角形腔体吸收器相比，内部能量分布出现了断层，能量密度不如三角形的高，综合考虑采用三角形的线聚焦菲涅尔反射镜太阳能集热器最优。x wei26对八种不同结构类型的腔体吸收器进行计算与实验验证，计算结果与实验结果一致，对线聚焦菲涅耳透镜的太阳能集热器，三角形空腔接收器显示出最佳的热性能。运行温度为180时最高的实验的散热系数约为0.805 w/(m2k)。经过国内外多位学者的研究，基本可以确定但从几何结构考虑，具有三角形结构的腔体接收器较之其他结构的腔体具有最优的热性能。虽然谢文韬在模拟时发现了三角形腔体吸收器的顶端由于被遮挡，不能接收到太阳光线，但是没有再对其进行改进优化，后来的研究者都没有考虑到这个问题。另外，腔体吸收器的内部结构又分为管簇式和环套式。barra27等人设计一种管簇与内壁不相联的的腔体吸收器，但由于腔体开口对管簇的视角系数较小，大部分聚焦后的阳光直接照射到腔体内，使得内壁温度较高，热损较大。针对该点不足，侴乔力28-30在barra的吸收器基础上提出了使管簇和内壁紧密连接的方案，将腔体作为管子的翅片。李进等31建立了一种环套结构腔体式吸收器，环套结构的腔体式吸收器内部的流道由半径不同的两个圆围成。翟辉32对采用真空管式吸收器、三角形、正方形等四种腔体吸收器的线聚焦非涅尔透镜太阳能集热器进行了研究，实验表明：当同等条件下水作为传热工质时，采用真空管式吸收器和三角形腔体吸收器集热温度90时，真空管吸收器效率为50%，腔体吸收器则低于40%，分析得知在低温域由于腔体吸收器热损失较大，集热效率低于真空管。同时发现采用水做为导热介质比采用油等其它比热容高的导热液体的热损小，效率更高。m.lin33等利用简化的光线追踪技术来优化的线性菲涅尔集热器系统的光学设计模型，利用cad模拟计算，考虑到热传导，对流与辐射的热损失，结果得出腔体接收器热表面温度从90到150时，腔体吸收器的总热损系数从6.25 w/(m2k)变化到7.52 w/(m2k)，热效率从45%降到37%。singh34等人研究了采用梯形形结构腔体吸收器的线性菲涅尔集热器，其吸收面采用方管和圆管束两种形式，实验分析得知，圆管束吸热面集热效率要高于方管吸热面。j he35等人利用光线追踪和几何光学分析，改变菲涅尔反射镜面宽度和吸收器高度，进而对太阳能聚光器光学性能影响因素进行全面理论研究，切实对吸收器的优化设计做出了一定贡献。1.4本文的主要研究内容线性菲涅尔聚光器优点突出,有很大的发展空间，配置腔体吸收器，市场前景广阔。本文主要针对基于线性菲涅尔反射镜聚光器的腔体接收器的热性能进行了模拟和理论研究，优化了腔体吸收器的热性能。本文的主要内容如下：论文首先介绍了菲涅尔反射镜及其历史、发展、分类，详细阐述了其光学原理，根据聚光器设计原理,对线性菲涅耳反射聚光器的结构进行分析。其次，介绍了基于线性菲涅尔聚光器的腔体吸收器的发展，结构，热性能，不足。再次根据太阳能中温利用温度要求和聚光器的光学性能，设计了一类腔体接收器，利用数值方法对腔体接收器中的传热机理和热损进行了模拟和理论分析。第2章 线性菲涅尔太阳能反射聚光器理论分析第2章 线性菲涅尔太阳能反射聚光器理论分析众所周知,太阳能辖射能流密度较低。研制出成本低、效率高、高稳定性的聚焦器,是提高太阳能利用效率与实际利用价值的唯一途径,能够进一步促进太阳能的广泛应用36。传统聚光器有槽式、碟式、塔式以及菲涅尔透镜式等聚光器,目前,槽式、碟式和塔式太阳能聚光器是应用最为广泛的聚光器。槽式、碟式聚光器需要加工复杂的曲面反射面,价格较贵,加工精度要求较高,焦平面能流密度分布不均匀；为了尽可能增大聚光倍数,塔式系统需要众多定曰镜围绕中心塔建立,占地面积巨大,并且每个定日镜需要单独二维控制,控制系统极其复杂；菲涅耳太阳能聚光器虽然价格便宜,但是目前难以做成单块大面积的产品,且聚光均匀性也较差。而聚光光强的均匀性对聚光光伏发电效率影响十分强烈,光强分布不均会造成弱光强照射处的光电池反而变成负载,导致电能内耗并引起温升等严重问题太阳福射本身是立体角约为的近似平行光,其直射辐射能流密度分布均匀,通过平面镜反射太阳直射光可以获得能流分布均匀的光斑。黄国华37等设计了一种利用方形玻璃镜组成的阵列结构的平板型成像型聚光器,可以获得能流分布均匀的焦平面,但由于釆用相同大小的玻璃镜且每一块的角度均不同,因此焦斑形状不规则组装调试复杂。江守利38等提出了一种折平板式平面玻璃镜反射聚光系统,可以获得均匀的能流密度。线性菲涅耳太阳能聚光热发电技术以其特有的优点得到了越来越多的关注，用其进行太阳能热发电正在逐渐得到大规模的应用39。然而，目前并没有详细的关与lfr技术的光学聚光理论，所以，本章首先利用几何矢量法，经过简单的几何推导，计算出线性菲涅尔反射镜的旋转倾角，用以菲涅尔反射镜的跟踪控制，以使目前的太阳位置算法得到的太阳高度角与方位角能直接用于lfr特有的单轴反射定位跟踪控制，控制系统将太阳高度角、方位角代入旋转倾角计算公式，用计算结果控制电机将镜元旋转到位，使太阳入射光反射到线性焦点上（接收器所在位置）。然后利用矢量法，导出适用于lfr的入射角、反射位置、跟踪倾角，反射光方位角、高度角等有关角度、位置的计算公式，可方便镜场的接收辐射量计算、遮挡计算、跟踪计算、安装尺寸优化等问题的解决，并利用太阳位置矢量算法，结合公式，计算了各量的变化情况，用图示方法明确了该类系统的运动及光学基本特性。2.1线性菲涅耳聚光系统跟踪倾角几何矢量算法2.1.1 lfr跟踪倾角算法线性菲涅尔（lfr）聚光器为单轴跟踪，吸收器固定不动，需要线性菲涅尔反射镜精准的跟踪太阳运动轨迹移动，因每一个镜元都是独立的跟踪系统，每一个镜元到吸收器的距离也各不相同，因此需要保证每一块镜元反射的太阳光都能聚焦到焦线处，每一片镜元都必须保持足够的跟踪精度，以保证线性菲涅尔聚光器的光学效率最大。这就必须对通常计算得到的太阳高度角、方位角进一步计算，得到相应镜元的跟踪旋转倾角。图2-1是太阳位置矢量几何分解示意图。图2-1太阳位置矢量几何分解示意图。如图，ac为线性菲涅尔反射镜聚光器的任意一个镜元的轴线，sc为通过轴线的任意一条太阳光线，由文献40-43知，水平放置的吸收器，只要保证每一个镜元中线处能将太阳能光线反射到接收器处，镜元其他处必能将太阳光线反射至接收器处。光线sc由矢量分解可分解sa,ac，ac的方向向量与镜元平行，不考虑反射光线，因此只考虑sa方向上的光线分量。为了保证sa方向上的光线分量的反射光线能进入腔体吸收器，假设镜元沿轴旋转了角（跟踪倾角），如图2-2所示。图2-2镜元倾角p计算示意图设h为吸热器距镜元旋转轴平面的垂直距离，d为吸热器距镜元旋转轴平面的水平距离，为太阳高度角，为太阳方位角，由图2-2可得如下关系:（2.1）通过上面式子可以得出：（2.2）继而可以得到：（2.3）最后可以得到：（2.4）由式(2.4)可知，镜元的跟踪角与， h， d有关。在设计线性菲涅尔反射镜聚光装置的控制系统时，输入上述控制式，给出每一片镜元的控制因数，再根据不同地区的太阳高度角和方位角，可以使反射镜的每一片镜元可以精确跟踪太阳，将太阳光线反射到吸收器处。上述理论计算是基于吸收器东西两侧的镜元，将镜元的水平距离d定义为负另值， e角换算至0-180范围，上式(2.4)也适用于吸热器南北两侧的镜元。2.2菲涅尔太阳能聚光器光学矢量分析上节利用几何分解方法得到lfr系统跟踪倾角计算公式，公式简单明了，但是推导过程相对复杂。本节通过矢量法，进一步给出线性菲涅耳反射装置任一镜元的入射角、反射位置、反射光方位角/高度角、跟踪倾角公式，更好的应用于线性菲涅尔聚光器中。2.2.1矢量计算lfr装置在设计时一般需根据入射角计算得到的辐射量，根据反射光在吸收器的位置来计算聚光比，根据反射光方向计算遮挡问题，根据跟踪倾角控制电机使镜元旋转至相应位置。下面就东西水平布置，南北跟踪，吸热器水平布置的lfr装置，用矢量法计算任一镜元的入射角、反射位置、跟踪倾角公式。图2-3是线性菲涅尔聚光装置光学反射矢量示意图。图2-3 lfr聚光装置光学反射矢量示意图太阳方向，镜元法线，反射矢量分别用s,n,r表示。i,j,k分别为正东，正北，天顶方向的单位矢量。下标s、r、z、n、e分别表示太阳矢量，反射矢量，天顶，北，东方向分量，为镜元倾角(镜面朝南为正，镜面朝北为负)。为镜元旋转轴与吸收器的垂直距离，为吸收器到地面的垂直高度，为a点光线反射到吸热器上的焦点距坐标原点东西方向的垂直距离，称为偏移。有矢量分解得：（2.5）其中：（2.6）由矢量算法有：（2.7）将（2.6）带入（2.7）式可得：（2.8）由图可知： (2.9)将s、n代入上式右侧项，得：2.10而以上两式子的各对应分量应相等，因此：（2.11）当吸热器高度h，镜元距吸热器垂直距离d已知时，即、已知，由上式可以推出a点的反射光在吸热器上的坐标。（2.12）进而可得：（2.13）（2.14）从而可以推得：（2.15）最终镜元的跟踪倾角为：（2.16）2.3聚光系统理论分析通过上两节的公式推导与分析计算，得到了lfr镜场南北分布与东西分布的跟踪与光学几何公式，并对其光学特性从理论上有了深入的了解，具备了对lfr系统进行光学性能分析的必要工具。众所周知，聚光太阳能热发电系统中太阳跟踪控制扮演着重要的角色，只有聚光器镜面精确的跟踪太阳，才能确保被聚集的太阳辐射指向吸热器，不精确的跟踪将导致热流密度分布质量变差，影响系统整个性能，甚至偏离吸热器。考虑一个聚光器，除了要求其制造工艺简单，风阻较小，在同等条件（如发电功率）下制造成本相对较低以外，聚光性能是一个至关重要的参数。聚光性能主要是通过聚光器的聚光效率体现的，聚光效率具体又体现在它的聚光倍数以及它对空间的利用程度，以及聚光光斑能流密度分布的均匀性等。下面以腔体吸收器作为接收器，从聚光器的理论聚光比、对空间的面积利用率两个方面进行分析。2.3.1无量纲参数如图2-4线性菲涅尔反射太阳能集热器光学传递图，接收器安装高度为a,接收器的宽度为l，设接收器长度与反射镜长度相同。定义a与l比值为接收板无量纲安放髙度。（2.17）定义聚光器第i个镜元中心到聚光器中心线的水平距离为，第i个镜元最外缘边线到聚光器中心线的距离与接收板宽度l比值定义为无量纲玻璃镜面跨度:（2.18）式中，i为聚光器单侧玻璃镜面数。图2-4lfr太阳能集热器光学传递图2.3.2理论聚光比假设线性菲涅尔反射镜聚光器的每一块反射镜元的长度相同，均为l，第i块镜元宽为,倾角为，由聚光比定义:聚光比为所有玻璃镜在阳光入射方向上面积之和与平板接收体面积之比得聚光比为：（2.19）值一定，在同一角度下，理论聚光比随着的增大而增大。在相同跨度下，值随角度的增加变化不大。值一定，在同一值下，理论聚光比值随着的增大而增大。在相同跨度下，随值的增加而增大。综合以上结果，理论聚光比受值的影响比较大。当接收板高度越高，也就是a值越大时，在同样跨度值下，理论聚光比越大。角度对理论聚光比影响不大。上述分析，不管是一定值条件下，理论聚光比随的变化规律，还是一定值条件下，理论聚光比随的变化规律，均是在一定的跨度下讨论的。图2.6给出镜面数n变化下，理论聚光比随角度的变化规律。由图2.6可以得到，玻璃镜面数相同，在同一值下，角度较小或者较大时，理论聚光比较小。此时跨度较小。实际应用中，若给定所要求的值范围，在已知值的情况下，可以得到一个值,使得玻璃镜面的数量最少。图中拟合实线处即为相同镜面数下，理论聚光比最大值。如=20，在和=30左右时，相同镜面数下的理论聚光比较大。图2-3 玻璃镜面反射光线路径图如图3.3所示，对于一个固定接收板安放角度值，总会有一块玻璃镜片反射的光束宽度与接收板宽度l恰好相等，此时=2，并且对电池片的利用最为充分，单片玻璃镜的聚光比最大为1;当与0.5值偏差越大时，反射镜片的宽度越小，反射光束宽度均小于平面接收板宽度l。反射镜片的宽度越小，在有限的值范围内，镜面数n值越大,所以给定镜片数n也总会有一个最优的值，使得聚光比最大，如图3.3中拟合黑线所示。图3.4中直接给出了理论聚光比与跨度的关系。从图中可以看出，当接收板安放高度一定时，不同角度,相同跨度u下，理论聚光比是基本相同的。在趋于较大时，理论聚光比虽然也一直增大，但增幅逐渐缩小。图2-5理论聚光比随变化规律2.3.3面积利用率当该聚光系统的接收器为腔体时，定义该聚光器的单侧面积利用率a为玻璃镜面在阳光入射方向上面积之和与聚光器平面框架所占空间总面积之比：（2.20）在平行光照射条件下，给定接收板宽度为100mm，玻璃镜面安放使。在接收平板安放角度0-75和安放高度1m-2m范围内，分析该聚光器的面积利用率k:值分别为10、16、20时，在不同角度,不同跨度下，该聚光器的面积利用率k的变化规律。从图中可以看出值一定，在同一角度下，面积利用率k随的增大而逐渐减小。在相同跨度下，面积利用率k随角度的增加变化不大。当值一定，在同一值条件下，面积利用率k随值增加而逐渐减小。在相同跨度下，面积利用率k随值增加而增大。也就是随接收板安放高度a增加，在相同跨度下面积利用率k提高。角度对k影响不大。2.4本章小结本章利用聚光系统光学分析的通用方法一矢量法，结合线性菲涅耳型聚光反射装置的自身特点，推导出lfr系统南北场、东西场、任意场的入射角、反射位置、跟踪倾角等计算公式，并通过实验验证与计算分析的方法对lfr系统光学跟踪特性有了直观明了的了解，其结果可以方便固定吸热器型的线性菲涅耳聚光反射镜场的设计与预测。利用本章公式，可进一步对线性菲涅耳型聚光反射装置进行详细分析，例如对该类型的跟踪系统的分析设计，可以对系统的遮挡问题，聚光比分析提供必要的分析基础。本章还以平板吸收器为例，分析了接收器的无量纲安装高度，无量纲玻璃镜元跨度及接收器的安装倾角，反射镜镜元的倾角对集热器聚光比的影响。同时分析了线性菲涅尔集热器的场地面积利用率。为线性菲涅尔反射集热器的应用提供了一点参考价值。第3章 菲涅尔反射式太阳能集热器腔体接收器集热性能第3章 菲涅尔反射式太阳能集热器腔体接收器集热性能3.1引言接收器在太阳能集热器的作用非常明显。接收器中的太阳辐射能转换成热能并且被流体的物质带走，从而完成光和热之间的转换。集热器性能的好坏是由接收器的热性能所决定的。因此对接收器中的流动和传热的性能，能对接收器的优化设计提供帮助，降低热损失，提高集热器的光和热的转化效率。本文提出了四种结构类型的腔体吸收器，并进行了设计。对四种吸收器的热性能进行比较，运用了理论计算和软件分析，并在此基础上提出了优化设计的方案。以期能够进一步的完善线性菲涅尔反射集热器的系统。3.2基于腔体吸收器的太阳能聚光能量系统热力学分析3.2.1聚焦式太阳能系统的热力过程基于腔体吸收器的聚光太阳能光热转化系统（如图3-1）中，太阳辐射通过聚光器将光线汇聚在腔体吸收器中在腔体吸收器内壁面，光能转化热能，热能被工质流体带走利用腔体吸收器的黑腔特性，能使得聚光器汇集的光线能在腔体吸收器内经过多次反射和吸收，尽可能的将光能转换成热能与此同时，腔体吸收器通过保温材料向环境有导热损失，在腔体吸收器开口处会向环境大空间有红外辐射和自然对流热损因此流体工质带走的可用热能，取决于直射辐射值聚光器光学性能和腔体吸收器的热损失量。图 3-1 基于腔体吸收器太阳能聚光光热转化系统系统的热力学分析主要基于以下几点假设和说明：系统的热力学分析主要基于以下几点假设和说明：(1)聚光器跟踪装置无跟踪误差，能保证太阳光能够全部汇聚到腔体吸收器中聚光器的光学效率用表示(2)腔体被看作是黑体，表面温度一致均匀为(3)腔体吸收器保温效果良好，保温层外表面温度与大气环境温度一致(4)环境温度保持稳定，不受太阳能集热系统的影响，为(5)聚焦型集热器只能利用太阳辐射中的直射辐射（）部分，实际受到集热器的跟踪形式气象状况以及时间等参数的影响在热力学分析中，认为是常数，并且系统处于稳定状态(6)腔体吸收器的开口面积为，吸收面有效导热面积为，聚光器的有效聚光面积为3.2.2基于腔体吸收器热效率热力学分析基于以上假设，对基于腔体吸收器的聚光太阳能光热转化系统进行了热力学分析,系统的热平衡方程如下：（3.1）（3.2）（3.3）其中为通过集热器汇聚的太阳能辐射能（考虑集热器光学损失），为吸收器中工质带走的有效热能，为腔体开口处自然对流换热系数，为腔体吸收器的热损失，为保温材料的有效厚度, 为保温材料的导热系数，为斯忒藩-波耳兹曼常量, 由以上分析吸收器得到的热能可以表示为：（3.4）对于成像聚光系统热损可认为与吸收器和环境温差成正比，故集热器热损可以表示为：（3.5）其中为热损系数：（3.6）当热损为零时，吸收器能达到最高的滞止温度,此时进入腔体的太阳能辐照全部损失到环境中将滞止温度表示成无量纲形式如下： (3.7)由于聚光比 c=ac/aa,则滞止温度无量纲形式可进一步表示为： (3.8)与聚光比成正比，也就是说聚光比和集热器所能达到的滞止温度呈现出正比的关系，无量纲温度是由集热器聚集的太阳辐射能量和腔体的热损所决定的，其范围在 1 和之间无量纲滞止温度用来描述当吸收器中工质不流动时吸收器对环境的散热量与得热量平衡时腔体吸收器到达的最高温度因此集热器的热效率可以表示为： (3.9)可见效率与吸收器温度成线性关系在滞止温度时，工质带走的热量火用为零由式3-8 和3-9 可知，集热器效率与腔体吸收器工作温度几何聚光比，和吸收器的热损系数有关对于特定的太阳能集热器来说，工作温度越低，其效率越高聚光器的几何聚光比越高，系统的在相同温度下运行的效率越高，即对于某特定需求的场合，适用聚光集热器比非聚光集热器的效率要高聚光器的光学效率越优越优良，集热器的光热转化性能越优越集热器的光热转化效率也取决于天气情况，直射辐射越高，集热器的性能越好同时，集热器的热损失系数也影响了集热器的光热转化性能，通过对腔体吸收器的优化设计能有效增加吸收器的有效吸收率和减少吸收器的有效红外发射率这对集热器的设计具有指导意义。本章通过对基于腔体吸收器的聚光能量系统经行热力学分析，对其光热转化过程经行了理论研究通过提出集热器光热转化模型，推到了集热器热效率的一般表达式发现集热器的热效率与聚光器的光学效率，几何聚光比热系数有关并且对于某一特定的太阳能集热器存在一个最佳运行温度点使得集热器的光热转化的火用效率最高这对腔体吸收器的优化设计，实现聚光集热器的高效率运行有指导意义。3.3腔体吸收器性能研究3.3.1概述在聚光太阳能的系统中，太阳光经过聚光器会聚后都照射在吸收器上，能量被传递给吸收器内部的流动的物质例如导热油和水等，从而转变成有用能。吸收器位于聚光器的焦点上，通常在吸收器上的能量密度是正常的太阳辐射强度的三十到一百倍。因此，聚焦太阳能集热器中光热转换的过程中的承载者是吸收器，吸收器效率的高低会对系统的集热效率造成直接的影响。近些年来，国外较多采用直通式真空管作为线聚焦太阳能集热系统中的吸收器，它的优点是热损小，效率高，但同时也存在很多的缺点，例如成本高，长期运行容易出现真空泄漏等问题。腔体吸收器是除了真空管以外的，可用于线聚焦太阳能集热器的又一种装置，存在着效率低的缺点，同时也拥有着可靠性高、低成本的优点。本章基于腔体吸收器的黑腔的特性，以及能够高效的抑制对流和辐射损失的基础上，提出四种不同结构的腔体吸收器，并且进行了设计，利用传热学原理和几何光学原理，对其进行了热性能模拟和理论计算，最后对四种腔体吸收器的性能进行了比较。在此基础上优化设计了正方形和三角形这两种腔体吸收器，重点的针对两种腔体吸收器进行优化设计。3.3.2四种腔体吸收器的结构之前国内外研究的腔体吸收器都是圆弧形结构的，在此基础上，一旦改变曲面率和角度，将会改变光线在腔体中的二次反射，影响它的光学性能，除此之外，由腔体外界与内壁温差产生的热流体流场发生改变也会引起温度场的变化，并最终影响腔体的热损失被改变。在本文中，用改变拐角、表面曲率等方法，在现有的圆弧形腔体吸收器的结构基础上提出了新的三种腔体结构模型，分别是：有一个锐角弯的三角形，与圆形结构类似的半圆形，两个直角弯的正方形。其照片如图 3-1所示，根据第二章中菲涅尔反射镜的聚光性能，接收开口宽度初步设定为 3cm，具体尺寸如图 3-1所示，长度为0.5m。如果光带宽度比较宽，可以考虑去掉其两侧的挡板，将开口的宽度扩大到5cm。吸热腔体与铜管之间采用锡焊连接，并且选择性的喷涂吸收的涂料。在腔体接收器的实际应用中，因为天气状况不稳定，尤其是在大风大雨等天气，腔体的吸热面极易受到空气对流的影响，会在很大程度上降低热效率。首先要保证腔体具有最佳的开口宽度，其次为了避免这种影响的方法就是加透明盖层，不同几何形状的盖层也会对气流流向造成影响，因此对其进行研究是非常有必要的。本节考虑到以上因素和光学效率问题，研究了带有 3 种不同形状的玻璃盖层腔体吸收器的热性能，如图 3-1所示，除了半圆型盖层，其余盖层材料均为超白玻璃（厂家提供透过率为 90%以上），厚度为 2mm。半圆形玻璃盖层材料为硼硅玻璃，厚度2mm。图 3-1四种腔体吸收器的结构图3.3.3 四种腔体吸收器的光学性能模拟利用 tracepro 软件进行腔体吸收器的光学性能模拟。该商业软件利用 monte carlo的方法对光线进行追踪，在模型的每个交点处和物理表面处，个体光线都要遵从反射、吸收和折射定律。当光线在实体中沿不同路径进行传播的时候，tracepro 跟踪每条光线的光通量，并且对其进行计算镜面反射及折射能量。因此，可以通过正确的建立材料属性、物理模型和表面性能参数，利用 tracepro 来模拟四种腔体吸收器的光学性能并计算其光学效率。图 3-2光线追迹图及腔体内能量分布图 3-3光线追迹图及腔体内能量分布在计算过程中，太阳角造成的影响可以忽略不计，太阳辐射被假定为相互平行的光束大量的进入系统，其中每一光束携带的能量和发射的方向是确定的，发射的位置是在一定的平面随机生成的。结果光束的表面的系统中的作用和一个（反射，折射，散射）的发生的物理模型取决于表面材料的性质。在计算中，自动跟踪并记录每个波束的行为，直到其被吸收或从系统中反射出去，然后再次跟踪光束。跟踪一个大数量的光束，这是一个平均的结果可确定进入所述腔被吸收或逃生从开口率，由此在空腔的光学效率。在模拟中，抛物线槽式反射镜和菲涅尔透镜的几何参数和前面所提到的完全相同，其中反射镜的材料为光学玻璃，菲涅尔透镜的材料为 pmma，反射率为0.9，吸收率 0.1。腔体吸收器的尺寸见图 3-1，表面选择性的涂有涂料，吸收率 0.9，反射率为 0.1。由于四种腔体的结构不同，因此其光路也各不相同，而腔体内表面的反射比、吸收比和透射比的高低也会对光学效率造成影响。分析图 3-