線性菲涅爾反射系統(tǒng)光學(xué)和集熱性能研究.pdf

1、線性菲涅爾反射式集熱器是線性聚焦集熱器的一種，其研究始于上世紀(jì)八九十年代，在最近十年獲得了各國(guó)太陽(yáng)能研究機(jī)構(gòu)的重視。相比于目前已經(jīng)得到商業(yè)化利用的槽式集熱器，線性菲涅爾反射器具有造價(jià)低、場(chǎng)地利用率高、反射鏡風(fēng)載低、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，它可以提供超過(guò)400℃的熱源，既可作為工業(yè)和家庭用熱源，也可建造太陽(yáng)能熱發(fā)電廠。
　　 菲涅爾反射集熱器的一個(gè)技術(shù)難題是相鄰鏡面存在陰影和遮擋問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)光學(xué)效率較槽式偏低，雖然可以通過(guò)增加接收器

2、高度和相鄰鏡面間距來(lái)減小陰影和遮擋，但會(huì)造成場(chǎng)地利用率低和末端損失增大等問(wèn)題;此外，經(jīng)濟(jì)高效的接收裝置也是國(guó)際上的研究重點(diǎn)，復(fù)合拋物面聚光器(CPC)由于對(duì)光線入射角要求很低，可作為二級(jí)反射器，但其制造難度和成本較高，接收管采用熱性能最好的直通式金屬-玻璃套管，梯形腔式接收器+金屬接收管的配置由于成本較低，也有較大的利用空間。
　　 針對(duì)上述問(wèn)題，本文首先對(duì)線性菲涅爾反射器的研究利用現(xiàn)狀進(jìn)行了概述。對(duì)菲涅爾反射系統(tǒng)進(jìn)行了光學(xué)建模

3、，探討了焦距和時(shí)間、季節(jié)變化對(duì)末端損失的影響，結(jié)果顯示末端損失與焦距呈正比，冬季的末端損失遠(yuǎn)大于夏季;實(shí)例研究了反射鏡的傾角、陰影和遮擋問(wèn)題，并采用光學(xué)模擬軟件Tracepro進(jìn)行了驗(yàn)證。推導(dǎo)了反射鏡傾角公式，相鄰鏡面的陰影和遮擋公式，以及集熱器的末端損失公式，為反射鏡場(chǎng)的優(yōu)化布置提供了理論支持。
　　 然后對(duì)CPC和梯形腔式接收器進(jìn)行了建模分析。基于輻射熱網(wǎng)絡(luò)法和熱阻法建立了CPC腔型接收器的傳熱模型，采用Matlab求解器編

4、程對(duì)模型進(jìn)行了求解，利用傳熱模型分析了鏡場(chǎng)寬度、工質(zhì)入口溫度和質(zhì)量流量的變化對(duì)系統(tǒng)出口溫度和效率的影響。模擬結(jié)果顯示:質(zhì)量流量對(duì)工質(zhì)出口參數(shù)影響最大，鏡場(chǎng)寬度對(duì)集熱效率的影響最為顯著;菲涅爾集熱器的熱效率最高為0.68，可提供超過(guò)400℃的熱源，對(duì)工質(zhì)出口溫度的控制應(yīng)以控制流量為主。采用Fluent對(duì)梯形腔進(jìn)行了模擬優(yōu)化，引入熱損失系數(shù)考察了環(huán)境溫度、吸熱管溫度、腔體深度、側(cè)邊傾角、保溫層厚度、玻璃蓋板和選擇性吸收涂層發(fā)射率對(duì)腔體性能的

5、影響，模擬結(jié)果表明，通過(guò)輻射散熱占整個(gè)腔體散熱的主導(dǎo)地位，通過(guò)玻璃蓋板的熱損失大于通過(guò)保溫層的熱損失;所有本文研究的對(duì)熱損失的影響因素中，吸熱板選擇性吸收涂層的發(fā)射率和保溫層對(duì)減小熱損失的作用最為明顯。
　　 最后，針對(duì)國(guó)內(nèi)缺乏對(duì)該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究的現(xiàn)狀，搭建了菲涅爾反射系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了集熱器的響應(yīng)時(shí)間，在不同天氣狀況下測(cè)試了工質(zhì)進(jìn)出口溫度、集熱效率和火用效率，考察了流量和工質(zhì)入口溫度變化對(duì)集熱性能的影響。由于集熱器過(guò)于小