第２卷第２期 ２０１４年４月 新能源进展 ＡＤＶＡＮＣＥＳ ＩＮ ＮＥＷ ＡＮＤ ＲＥＮＥＷＡＢＬＥ ＥＮＥＲＧＹ Ｖｏ１．２ ＮＯ．２ Ａｐｒ．２０１４ 文章编号：２０９５—５６０Ｘ（２０１４）０２—０１１７－０５ 线性菲涅尔反射式太阳能集热系统的设计与试验研究 朱艳青 ，李育坚 ，王雷雷 ，一，邓育军 ，史继富”，徐 刚 干 （１．中国科学院广州能源研究所，广州５１０６４０；２．中国科学院大学，北京１０００４９） 摘要：本文研究了线性菲涅尔反射式太阳能集热系统，基于几何光学原理计算模拟了线性菲涅尔反射镜镜场和复 合抛物面的接收系统，在减少末端损失的基础上设计了系统的机械结构，制作了线性菲涅尔反射式太阳能集热系统 的装置，并进行了集热性能的实验测试。测试结果表明，该系统在９倍聚焦倍率下，导热油的最高温度可达１７６．２￣Ｃ， 系统的平均瞬时热效率约为５３％，很好地实现了其集热性能。 关键词：太阳能；线性菲涅尔；集热性能；镜场布置 中图分类号：ＴＫ５１９ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．２０９５—５６０Ｘ．２０１４．０２．００６ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｌｉｎｅａｒ Ｆｒｅｓｎｅｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ Ｓｏｌａｒ Ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ Ｓｙｓｔｅｍ ＺＨＵ Ｙａｎ．ｑｉｎｇ ，ＬＩ Ｙｕ－ｊｉａｎ ，ＷＡＮＧ Ｌｅｉ—ｌｅｉｌ’２，ＤＥＮＧ Ｙｕ－ｊｕｎ ，ＳＨＩ Ｊｉ．ｆｕ ，ＸＵ Ｇａｎｇ （１．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＥｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６４０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＣｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ＰａＤｅｒ ｌｉｎｅａｒ Ｆｒｅｓｎｅｌ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ ｓｏｌａｒ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ ｏｐｔｉｃｓ．ｔｈｅ ｍｉｒｒｏｒ ｆｉｅｌｄ ｌａｙｏｕｔ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｐａｒａｂｏｌｉｃ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙ ｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｅｎｄ ｌｏｓｓ ｅｎｅｒｇｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ Ｆｒｅｓｎｅｌ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｄｅｖｉｃｅ ｗａｓ ｍａｄｅ．Ｔｈｅ ｓｏｌａｒ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｎｌａｎｃｅ ｗａｓ ｔｅｓｔｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ血ａｔ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｈｅ ｈｅａｔｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｏｉｌ ｉｓ １ ７６．２。Ｃ ｗｉｔｈ ｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｔｒａｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ ｏｆ ９ ｔｉｍｅｓ．Ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｅ衔ｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｈｅ ｓｖｓｔｅｍ ｉｔｓ ５３％．ｗｈｉｃｈ ａｃｈｉｅｖｅｓ ａ ｇｏｏｄ ｓｏｌａｒ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ；ｌｉｎｅａｒ Ｆｒｅｓｎｅｌ；ｓｏｌａｒ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｍｉｒｒｏｒ ｉｅｌｆｄ ｌａｙｏｕｔ ０ 引 言 随着全球能源供应问题日显突出和环境污染问 系统存在相邻镜面的阴影和遮挡问题、末端损失问 题，导致了系统效率较低，必须通过研究镜面的优化 布置形式来提高系统效率；另外，经济高效的太阳能 接收装置也是提高系统效率的一个重要方面。目前对 线性菲涅尔反射式太阳能集热系统的研究已经成为 题的日益严重，太阳能中高温热利用技术得到了人们 越来越多的关注。目前太阳能中高温集热系统一般分 为槽式和菲涅尔反射式太阳能集热系统两种ｕ 】。相 比于目前已经得到商业化利用的槽式太阳能集热系 统，线性菲涅尔反射式太阳能集热系统采用平面反射 了中高温领域的前沿课题之一，具有十分重要的学术 研究意义和非常广阔的应用前景。 本文对线性菲涅尔反射镜镜场进行了优化设 镜，具有易于制造、价格低廉、反射镜风载低等优点， 其既可以为工业和家庭提供中高温热源，也可建造太 阳能热发电厂，在太阳能中高温热利用方面有很大的 计，接收装置采用了复合抛物面聚光器＋接收管的 形式，接收管采用热性能最好的直通式金属—玻璃套 管，搭建了线性菲涅尔反射式太阳能集热系统，并对 该系统进行了集热性能的测试。 发展潜力。然而，目前线性菲涅尔反射式太阳能集热 收稿日期： ２０１４—０２—２４ 修订日期：２０１４．０４．２３ 广东省教育部产学研结合项目（２０１２Ｂ０９１ １００２０４）；中国科学院广州能源研究所所长创新基金培育专项（ｙ３０７ｐ８１００１）；广东省战略 基金项目： 性新兴产业项目（２０１ １Ａ０３２３０４００３） 徐十通信作者： 刚，Ｅ．ｍａｉｌ：ｘｕｇａｎｇ＠ｍｓ．ｇｉｅｃ．ａｃ．ｃｎ；史继富，Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｉｊｆ＠ｍｓ．ｇｉｅｃ．ａｃ．ｃａ ｌｌ８ 新能源进展 第２卷 ｌ 光学设计 １．１复合抛物面聚光器设计 复合抛物面聚光器是一种根据边缘光学原理设 计的非成像聚光器，只要光线入射角小于其设计值， 则可全部反射到接收管＿ｋｔ 】。如图１所示，它由底 部的圆渐开线（ＡＦＢ）和上部的抛物线段（ＢＣ、ＡＤ） 两部分组成。因其为轴对称结构，对其进行计算时 只需考虑一侧的截面，可以得到复合抛物面聚光器 的右半段的参数方程： Ｘ＝ｒｓｉｎｔ一，ｆｔ）ｃｏｓｔ （１） 】，＝一ｔｃｏｓｔ一￣（Ｏｓｉｎ， （２） 在圆的渐开线段中： ， ）：（２矿＋ ｚ）Ｄ ＋ 一 ） （３） 式中，ｔｏ ｆ ＝／２＋０。 在抛物线段中： ）：—２［（２ｒｆ０＋ｔ－ｃｏ—＋ｆａ）￣ｓ －ｒｔｏ］＋ ｒ［ｘ／２＋ｓ（ｔ－Ｏ）］（４） ＿式中，＝／２＋０ ｔ ３＝／２～０。 其中，ＣＯＳｔｏ：，／（ ＋ ），ｒ为接收圆管半 径， 为吸热体到渐开线端点的距离，０为入射 半角，ｔ为方位角。 图ｌ复合抛物面 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｐａｒａｂｏｌｉｃ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ 根据镜场边缘反射镜反射光线作为最大入射角 进行设计。本文中最大入射半角取１８０。，主要为了 便于增加镜场，扩大口径，增加系统接收太阳光的 面积。 １．２线性菲涅尔反射镜镜场设计 线性菲涅尔反射镜镜场的优化布置是提高系统 效率的关键。镜场优化布置的关键是找出没有遮挡 的极限情况下，菲涅尔反射镜镜场各参数之间的关 系［６ ］。镜场南北布置，随着单轴跟踪器绕镜场中心 东西旋转跟踪太阳，接收装置安装在镜场中心的一 定高度的支架上。 图２所示为线性菲涅尔反射镜场的布置设计 图，所有反射镜的倾斜角不同，相邻反射镜的间距 不同，确保了太阳光能够聚焦到接收器上，并且避 免了相互遮挡。根据反射定律，可以得出镜场重要 参数的表达式： ｎ／２－２Ａ＝ｔａｎ 驯 （５） ＝ ２［（ｓｉｎ ＋ｓｉｎ 一 ）Ｑ．／Ｈ＋ＣＯＳｌｆｎ＋ＣＯＳ／￣ｎ一 ］（６） ＝ —ｔ＋Ｓ 式中，，ｚ １，其初始参数为Ｑｏ＝０，届：０，Ｑ１＝Ｓ１， 嗣计黜整个菲涅尔反射镜 、 ＼ 图２线性菲涅尔反射镜镜场设计图 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｉｒｒｏｒ ｆｉｅｌｄ ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ Ｆｒｅｓｎｅｌ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ ｓｏｌａｒ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ２机械结构设计 ２．１ 末端损失 在北回归线以北，太阳始终在南方，对于南北 向水平放置的菲涅尔反射式太阳能集热系统，如图 ３所示，人射到反射镜上的光有一部分是损失掉的， 被称为末端损失［２，９１。主要由末端影响因子ｒ对末端 损失进行评价，其表达式为： 第２期 朱艳青等：线性菲涅尔反射式太阳能集热系统的设计与试验研究 １１９ Ｆ＝１一 ｄ／Ｌ （８） 节倾斜的角度。可以根据不同的季节，调节角度，在一定程度上减少末端损失，提高系统效率。本 文测试的时间为冬至左右，此时，广州的太阳高 度角比较低，测试时系统有１５。的倾斜角，因此， 本文测试的数据即为减少末端损失措施后的实验 数据。另外，如果水平放置，太阳光能够达到接 收器上的能量非常少，几乎没有光照，所以没有 进行测试。 式中， 。 ｄ为末端损失长度， 为接收器总长度。末 端影响因子ｒ值越大，则末端损失越小。 为了提高末端影响因子ｒ，减少末端损失，如 图３中所示，把反射镜和接收器整体向南倾斜。［角， 则末端损失减少值 为： ＝ 一 ： ［ｔａｎ 一ｔａＩｌ（ 一 ）］ （９） 式中， ｄ为倾斜仅角后的末端损失长度，Ｈ为接收 器距离反射镜的竖直高度， 为人射太阳光与竖直 面的夹角。 南 反射镜 图３末端损失 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｅｎｄ ｌｏｓｓ ｅｎｅｒｇｙ ２．２机械结构设计 为了减少上述的末端损失，设计了可以倾斜一 定角度的机械结构，如图４所示。系统南北放置，绕 轴在东西方向上转动。系统转轴的低端通过铰链与 底架支座链接，转轴的高端与推杆连接，可以调 推杆 图４机械结构简图 Ｆｉｇ．４ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓ￣ｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ３性能测试试验 根据上述系统设计，制作了线性菲涅尔反射式 太阳能集热系统的实验装置，如图５所示，反射镜 镜场由２２块规格为９６ ｉｒｌｉｎ×２０００ ｍｍ×５ ｍｌｎ的超 白玻璃反射镜组成，接收管采用热性能良好的长为 ２０００ ｒＩ１／ＴＩ的直通式金属玻璃套管，包括口径为７０ ａｒｉｎ 的金属内接收管和口径为１００ ｍｌｎ的玻璃管，聚光 倍率为９倍，实验用导热油的密度为８２０ ｋｇ／ｍ ， 比热为２．５￣／（ｋｇ・℃），循环体积流量６ Ｌ／ｍｉｎ，导热 油的体积为８０ Ｌ。本文的测试目的在于测试整个系 统的效率以及系统的热损系数，整个系统为一循环 的闭环，因此设计了如下的测试实验方法：实验测 试时，辐射传感器以及ＰＣ一２太阳辐射记录仪用来记 录太阳光的光强，其中辐射传感器放在跟踪支架上； 多路温度采集仪一路用于测量环境，另一路放在集 热器接收器的入口处，用于测量导热油的人口温度。 图５集热系统的实验装置及测试仪器 Ｆｉｇ．５ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｏｆｔｈｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ 系统的倾斜角度为向南倾斜１５。，测试时间为 ２０１３年ｌ１月２５日９：００～１３：３０。当日天气晴，无持 续风向，且风力 ３级。测试结果列于表１。 １２０ 新能源进展 第２卷 表中， 所示。 为集热器导热油的温度； 为环境温度， 为太阳辐照强度， 为集热系统的瞬时热效率。拟合的效率曲线如图６ 拟合的瞬时效率方程［ｍ 如下： ，７ Ｏ・６９—２・２１（ 一 ）／ 分 嚣 ’６ ０ｏ） ｝吕 【工］ 该效率方程的截距为０．６９，热损系数为 ２．２１ Ｗ／（ｍ２・℃），可以看出随着温度差值的增大，集 热效率逐渐减小。此热损系数为整个系统的热损失 系数，包括真空管、管路、油罐等的热损失，因此 系统的保温性能，尤其是管与管连接处的保温的进 步提高，对系统效率的提高尤其重要。在９倍聚 一（ ｃ・玎ｌ２・ｗ一 ） 图６集热系统瞬时效率曲线 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ ｅｆｉｃｉｆｅｎｔｃｕｌ＇ｖｅｏｆｔｈｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ 光倍率下，导热油的最高温度可达１７６．２℃，系统 的平均瞬时热效率约为５３％，相比其他文献中的数 第２期 朱艳青等：线性菲涅尔反射式太阳能集热系统的设计与试验研究 １２ｌ 据１２，１Ｕ，此效率更高。随着聚焦倍率的提高，系统的 温度继续提高，可到达５００％，完全可以满足人们 对中高温的需求，既可以为工业和家庭提供中高温 热源，也可建造太阳能热发电厂，具有很好的实际 应用价值。 ４结 论 本文在对线性菲涅尔反射镜镜场、接收系统和 机械结构的优化设计基础上，制作了线性菲涅尔反 射式太阳能集热系统的装置，并对该装置进行了集 热性能测试实验。实验结果表明，该系统在９倍聚 焦倍率下，导热油的最高温度可达１７６．２ｃＩ二，系统的 平均瞬时热效率约为５３％，很好地实现了其集热性 能。本文的设计方法和测试结果对中高温集热的应 用和发展具有重要的参考价值。 参考文献： ［１】 张耀军，王军，张文进，等．聚光类太阳能热发电概 述［Ｊ］．太阳能，２００６，１：３９—４１． ［２］ 宋固．线性菲涅尔反射式太阳能集热系统研究［Ｄ］．山 东：山东大学，２０１１． ［３】 张晓东．复合抛物面型集热器性能研究［Ｄ］．西安：西 北工业大学，２００６． ［４］ 刘灵芝，李戬洪．复合抛物面聚光器（ｃｅｃ）光学分析研 究［Ｊ］．能源技术，２００６，２７（２）：５２．５９． ［５５］ 季杰．太阳能光热低温利用发展与研究［Ｊ］．新能源进 展，２０１３，１（１）：７－３１． ［６】 谢文韬．菲涅尔太阳能集热器集热性能研究与热迁移 因子分析［Ｄ］．上海：上海交通大学，２０１２． ［７］Ｄａｖｉｄ Ｒ．Ｍｉｌｌｓ ａｎｄ Ｇｒａｈａｍ Ｌ．Ｍｏｒｒｉｓｏｎ．Ｃｏｍｐａｃｔ ｌｉｎｅａｒ Ｆｒｅｓｎｅｌ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ ｓｏｌａｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｏｗｅｐｌａｎｔｓ［Ｊ］．Ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ，２０００，６８（３）：２６３－２８３． ［８］ 周小泉，周海妮，谭永超，等．线性菲涅尔反射式太 阳能集热系统镜场优化布置及光学性能开发与应用 研究［Ｊ］．实验室研究与探索，２０ １２，３ ｌ（１０）：３０６．３６７． ［９】 车淑平．线性菲涅尔反射系统光学和集热性能研究［Ｄ］． 山东：山东大学，２０１２． ［１Ｏ】 李戬洪，江晴．一种高效平板太阳能集热器试验研 究［Ｊ］．太阳能学报，２００１，２２（２）：１３ １－１３５． ［１ １］ 林蒙．基于腔体吸收器的菲涅尔反射式聚光型太阳能 集热器［Ｄ］．上海：上海交通大学，２０１３． 作者简介： 朱艳青（１９８３．），女，硕士，助理研究员，主要从事聚光太 阳能利用技术的研究与开发。 史继富（１９８２．），男，博士，副研究员，硕士生导师，主要 从事热管式真空集热管的研究与开发。 徐刚（１９７０．），男，博士，研究员，博士生导师，中国科 学院“百人计划”项目引进人才，主要从事太阳能光热、光 电纳米复合材料的研究与开发。
