聚光设计与集热器

1、第三章 聚光设计与集热器3.1 聚光原理聚光原理 太阳聚光设计的意义：太阳聚光设计的意义： 非聚光情况下，太阳能集热工质的温度一般低于非聚光情况下，太阳能集热工质的温度一般低于100。 为提高工质温度从而扩大应用范围，或者为提高为提高工质温度从而扩大应用范围，或者为提高太阳能电池的光电转换效率，需要采用适当的聚光太阳能电池的光电转换效率，需要采用适当的聚光方式，将自然状态下能量密度较低的太阳辐射能汇方式，将自然状态下能量密度较低的太阳辐射能汇聚到很小的接受表面上，以产生高温工质或高光通聚到很小的接受表面上，以产生高温工质或高光通量。量。 3.1.1 聚光的必要性聚光的必要性 太阳能热发电系统热

2、电转换效率与聚光比及吸热器温度之间的关系两种基本的聚光形式1. 反射式聚光2. 折射式聚光3.1.2 抛物面反射聚光n抛物面焦点上的光源（焦点）所产生的平行光束2z4fx抛物线方程：实际太阳光线所产生的成像n太阳到达地球表面的光线并非平行光，而是张角为32的发散光，因此不可能完全聚焦。经抛物面聚焦后所产生的图像宽度W，随着反射点P的位置不同而变化。太阳图像宽度W计算公式4f16W=1tancos (cos )聚光抛物面实例3.1.3 抛物面的离散化 线性菲涅尔聚光系统n当为提高聚光比而扩大抛物面时，会产生如下问题：（1）抛物面的重量及转动惯量随尺度增大而急剧增大，为跟踪设计带来困难。（2）抛物

3、面过大难以解决风荷载问题。（3）连续抛物面的精确机械加工不容易实现。 此外，在普通抛物面聚光器中，吸热器必须和集热面一同转动，造成无谓的动力消耗。线性菲涅尔聚光系统（Linear Fresnel ReflectorLFR), 因由法国工程师Augstin-Jean Fresnel 发明而得名。n每一个带状镜元的倾角和跟踪速度均不相同，需要进行具体的设计计算。西班牙Novatec Biosol公司建造的PE-1太阳能电站的LFR镜场。该电站2009年成功试运行，是世界上第一座LFR型电站。3.1.4 折射式聚光设计n从平凸透镜到菲涅尔透镜 通常聚光比愈大则透镜愈厚。为了减小透镜厚度，将凸面做成阶

4、梯球面，同样能够达到很好的聚光效果。 进而，为了简化制作工艺，又将阶梯球面近似地用平面代替，从而形成了“菲涅尔透镜”。 菲涅尔透镜的设计主要是根据给定的焦距f来具体确定每一个阶梯平面的倾角。菲涅尔透镜的设计原理22rWWndrd22tan(tan)(tan) 阶梯平面倾角与折射光线倾角、及透镜材料的折射率n的关系：阶梯面倾角与当地平面参数r、W及焦距d之间的关系：nsintancos 菲涅尔透镜聚光3.2.1 聚光比的定义（1）几何聚光比集热器的收光孔面积Aap与吸热器的吸热面积Aabs之比。apgabsACA3.2 聚光比聚光比apeabsICI 由于镜面在光学加工过程中存在加工误差，导致通

5、过收光孔的射线并不是都能够汇集到吸热面上，因此，Ce总是小于Cg。二者之间的关系为：e0gCC 0称为“光学散射损失因子”。（2）辐射通量聚光比 聚集到吸热器上的平均辐射强度Iab与入射太阳辐射强度I之比。（3）抛物面聚光器的理论聚光比 设右图所所示的抛物面，其焦平面与其收光孔重合。 假如太阳光线是绝对平行的，则右图抛物面聚光器的聚光比应趋向于无穷大，因光线都聚焦在一点。 而事实上，由于太阳圆盘有32的张角，所以抛物面所能够达到的极限聚光比只是2a sa s11CF11CFmax,max,sinsin槽式抛物面碟式抛物面式中Fa,s为抛物面的收光孔对太阳所张的角系数，代表入射太阳光与抛物面法向

6、z之间的夹角， 在1690之间变化。3.2.2 吸热器温度与聚光比的关系12444(1)singsunabsambCTTT 对于任何形式的集热-吸热系统，通过热平衡分析可以导出其吸热器的运行温度Tabs与几何聚光比Cg之间存在如下关系：式中 吸热器以导热和对流方式损失能量所占总接收的辐射能的份额。 吸热器的吸收率。 聚光器表面对太阳辐射的反射率。 太阳圆盘所张的半角，大约等于4.7mrad, 吸热器的发射率。Tsun 太阳表面温度。Tamb 镜场环境温度。sinrR聚光比与吸热器工作温度之间的关系图聚光比与吸热器工作温度之间的关系图 LFR集热器的聚光比计算3.2.3 LFR镜场的聚光比LFR

7、镜场光线反射示意图2111ngjjjjCDdDH上式表明，同样的镜元当其与吸热器的距离不同时，它对聚光比的贡献不同。LFR镜场聚光比与镜元个数及塔高的关系 3.3 非聚光型集热器非聚光型集热器太阳能集热器分类太阳能集热器分类跟踪类型集热器类型吸热体类型聚光比范围使用温度范围（）静止平板平板130-80真空管管型150-200复合抛物面管型1-560-240单轴跟踪5-1560-300线性菲涅尔管型10-4060-250圆柱槽式管型155060-300抛物面槽式管型10-8560-400双轴跟踪碟式点6002000100-1500塔式-定日镜点3001500150-2000n结构与外形3.3.1

8、 平板集热器n采光面等于集热面，聚光比C=1；n不跟踪太阳，固定安装；n生产成本低廉；n热损失较大，介质温度较低（80）。平板集热器的基本特点工作原理热损失与集热效率uQAG对流热损失和辐射热损失的影响因素（a）玻璃盖板的特性（b）保温层（c）吸热体表面特性（d）风速集热效率可用下式表示：upoutinQmc TT()式中 Qu 为集热器内工质的加热功率，W； A 集热面积，m2； G 太阳总辐照度，W/m2。n平板集热器热损失大的主要原因封闭腔内空气的传热作用n从平板集热向真空腔体集热转换的困难 （1） 真空封装技术 （2） 光谱选择性吸收涂层n热水保温瓶胆的启示3.3.2 真空管集热器全玻

9、璃真空集热管结构示意图全玻璃真空集热管结构示意图 1一内玻璃管；一内玻璃管； 2一外玻璃管一外玻璃管; 3一选择性吸收涂层；一选择性吸收涂层； 4一真空；一真空；5一弹簧支架一弹簧支架; 6一消气剂一消气剂主要技术特点主要技术特点（1）特种玻璃）特种玻璃 采用硼硅玻璃采用硼硅玻璃 其热膨胀系数小（其热膨胀系数小（3.310-6）；太阳）；太阳透过比高（透过比高（0.90）；耐热温差大于）；耐热温差大于200；机械强度较；机械强度较高。高。 （2）高的真空度）高的真空度 内、外管之间的间隙约为内、外管之间的间隙约为5mm，间隙抽，间隙抽真空至真空至10-3Pa。 钡钡钛消气剂的作用：能在真空集热

10、管运行时吸收管内钛消气剂的作用：能在真空集热管运行时吸收管内释放出的微量气体，以保持管内真空度。释放出的微量气体，以保持管内真空度。（3）选择性吸收涂层）选择性吸收涂层 采用磁控溅射工艺，将铝采用磁控溅射工艺，将铝氮氮/铝等铝等合金材料均匀沉积在内管表面上，以此吸收太阳光线。合金材料均匀沉积在内管表面上，以此吸收太阳光线。 工作原理工作原理应用实例应用实例3.4.1 碟式系统碟式系统n碟式系统的基本结构碟式系统的基本结构 抛物型聚光碟抛物型聚光碟 立轴立轴 支撑与水平旋转支撑与水平旋转 横轴横轴 子午面旋转子午面旋转 吸热器吸热器 斯特林发动机斯特林发动机 发电机发电机3.4 点聚焦集热器点聚

11、焦集热器碟式太阳能发电阵列装置装机容量50万千瓦，使用3.4万个碟型斯特林系统，地址：美国加利福尼亚州莫哈韦沙漠碟式聚光发电系统的技术特点碟式聚光发电系统的技术特点（1）需要双轴跟踪系统。（2）聚光器、吸热器和斯特林发动机一体化，整体转动。（3）斯特林机的制造成本高，而且可靠性低，寿命短，目前商业化程度低。（4）由于重量与可用空间限制，碟式聚光器无法与蓄热系统相结合，导致系统频繁启动、停止。（5）美国一碟式实验系统的光电转换率达到31，保持着太阳能发电技术的最高效世界纪录。 斯特林发动机简介斯特林发动机简介n斯特林太阳能发电装置斯特林太阳能发电装置 斯特林太阳能发电装置是将太阳能转化为电能的一

12、种新型动力装置。原理是自动跟踪斯特林太阳能发电装置是将太阳能转化为电能的一种新型动力装置。原理是自动跟踪太阳能聚光镜将太阳光聚焦于发动机头部，加热高压氢气膨胀推动活塞做功，通过曲太阳能聚光镜将太阳光聚焦于发动机头部，加热高压氢气膨胀推动活塞做功，通过曲柄连杆机构带动发电机转化成电能输出。柄连杆机构带动发电机转化成电能输出。 斯特林循环的压斯特林循环的压-容图和温容图和温-熵图熵图（请学生观看网上工程热物理所斯特林机的工作演示，网址：http:/ 塔式塔式-定日镜系统定日镜系统定日镜形式定日镜形式吸热塔的结构形式混凝土塔钢塔钢塔3.5.1 抛物槽式聚光器抛物槽式聚光器3.5 线聚焦集热器线聚焦集

13、热器n抛物槽式聚光器的结构抛物槽式聚光器的结构与部件与部件 抛物型聚光面抛物型聚光面 长条型支架长条型支架 水平水平横轴横轴 子午面旋转子午面旋转 水平管吸热器水平管吸热器 柔性连接管柔性连接管 抛物槽式聚光器实例抛物槽式聚光器实例设计运行温度400、用于抛物槽式集热的真空管，长度2米（北京市太阳能研究所）。n结构较简单，技术相对成熟n聚光比属于中低范围（C=10-85），相应的集热温度在400以下。n由于吸热管道连同集热表面转动，系统自身动力消耗较大。n考虑自重与风荷载等因素，实用中单个抛物集热面的收光孔面积一般不超过100m2。需要更大的聚光面积时要采取多个抛物槽串联的形式。抛物槽式聚光的

14、优缺点抛物槽式聚光的优缺点抛物状镜元3.5.2 线性菲涅尔式线性菲涅尔式(LFR)聚光器聚光器LFR聚光系统的结构聚光系统的结构LFR聚光镜场不同月份镜元倾角的变化LFR聚光设计要点：镜元形状与尺度镜元布置方式太阳跟踪装置吸热器管路系统吸热器外形与结构n镜场余弦损失（a） 东西镜场与南北镜场（镜元水平布置） 东西镜场：镜元分列吸热器管线东西两侧，吸热器呈南北走向。 南北镜场：镜元分列吸热器管线南北两侧，吸热器呈东西走向。（b）余弦损失的衡量标准余弦系数 镜元反射的余弦损失是指相对于阳光垂直照射反射面所能得到的最大辐射能而言的减弱程度，它与光线入射角的余弦有关。 余弦系数定义为光学损失分析光学损

15、失分析icosS Ncoscossinsincos ssss太阳高度角 s 太阳方位角 镜元倾角南北镜场-坐标系与太阳光路（c）余弦系数与镜场的布置方式有关n从余弦效率的年平均值来看，在地球的低纬度地区，采取东-西两侧布置的镜场余弦效率较高。n在中高纬度地区，东西场和南北场虽然年平均效率相当，但南北场在冬季的余弦效率较高，因此更有优势。 LFR聚光集热系统采用单轴跟踪，故反射光在吸热器上会沿其轴向随着时间变化而移动。当太阳光线入射角度较大时，部分反射光将从吸热器末端移出，形成末端偏移溢出损失。偏移程度越大，末端损失程度也越大。n吸热器末端溢出损失对于南北场，反射光偏移沿东西方向运动，用e表示，

16、22222cos+sin1 cossinssssHde 镜场的纵向长度越长，偏移对系统光学效率的影响越小。以西班牙的参考PE-1电站为例，其LFR镜场纵向长度为980m，由南北场和东西场引起的最大末端偏移溢出损失分别占总辐射的4.6%与2.6%，年平均末端偏移损失在1%左右。 PE-1电站末端偏移量镜元位置的变化南北场东西场n 镜元的阴影与遮挡问题镜元的阴影与遮挡问题n大气传播衰减大气传播衰减 由较长的反射光传播路径由较长的反射光传播路径Tp而产生，光路愈长，衰减损失愈而产生，光路愈长，衰减损失愈大。可用下式计算大气传播效率，大。可用下式计算大气传播效率，482atppp0 99321 1 1

17、76 10 T1 97 10 TT1000m. 计算表明，对于反射光路径在50m以下的镜场，由大气传播引起的系统光学损失为1%到1.3%之间，东西场效率稍高于南北场效率。 什么是镜场的阴影和遮挡？ PE-1太阳能发电站的镜场参数：塔高7.4m，镜元21行，镜元宽0.8m，长800m，镜元之间0.16m等间距布置，线性吸热器置于南北镜场中央。 阴影和遮挡损失通常用“阴影与遮挡效率”来衡量，它通过被遮挡或阴影面积之和与镜元总面积A之比来定义，AA1A blockshadowsb阴影和遮挡所产生的影响怎样衡量？实际镜场的阴影和遮挡效率以西班牙PE-1太阳能电场为例PE-1镜场平均阴影与遮挡效率随时间

18、的变化 PE-1镜场镜元间距对阴影与遮挡效率的影响复合抛物面聚光集热器截面形式复合抛物面聚光集热器截面形式(四种吸热器形式）四种吸热器形式）3.5.3 复合抛物面聚光器复合抛物面聚光器 由美国学者由美国学者Winston发明，早起发明，早起用于高能物理中的射线检测，用于高能物理中的射线检测，1974年开始用于太阳能技术。年开始用于太阳能技术。特点特点:聚光而不成像聚光而不成像, 不需跟踪不需跟踪, 只需随季只需随季节少量调整角度节少量调整角度聚光比一般在聚光比一般在10以下以下 工作温度在工作温度在80250之间之间适合于太阳能采暖和制冷系统适合于太阳能采暖和制冷系统复合抛物面聚光器的聚光比复合抛物面聚光器的聚光比聚光比定义为收光孔面积与吸热器面积之比，即1dC2 r每一侧的反射面由抛物面和圆渐开线组成；G和F分别为左、右抛物面的焦点。分析各几何部分的相互关系，可以得到复合抛物面的最大聚光比为1C222maxsin()sin 复合抛物面集热与平板集热的效率比较复合抛物面集热与平板集热的效率比较（1）双轴跟踪与单轴跟踪 双轴跟踪用于点聚焦装置（塔式、碟式） 单轴跟踪用于线聚焦装置（槽式、LFR式）（2）开环控制与闭环控制 开环控制不需要检测太阳位置，仅仅依靠预先计算好的当地的太阳视运动规