聚光设计与集热器讲解

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1、第三章 聚光设计与集热器 3.1 聚光原理 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 100。 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 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 量。 3.1.1 聚光的必要性 太阳能热发电系统热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 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

2、，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 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

3、-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 阶梯平面倾角与折射

4、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： 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。 3.2 聚光比 由于镜面在光学加工过程中存在加工误差，导致通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： 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

5、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 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 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。 r 聚光器表面对太阳辐射的反射率。 x 太阳圆盘所张的半角，大约等于4.7mrad, e 吸热器的

6、发射率。 Tsun 太阳表面温度。 Tamb 镜场环境温度。 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镜场光线反射示意图 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 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

7、物面槽式管型10-8560-400 双轴 跟踪 碟式点6002000100-1500 塔式-定日镜点3001500150-2000 n结构与外形 3.3.1 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 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： 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

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

9、 采用磁控溅射工艺，将铝氮/铝等 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 应用实例 3.4.1 碟式系统 n碟式系统的基本结构 抛物型聚光碟 立轴 支撑与水平旋转 横轴 子午面旋转 吸热器 斯特林发动机 发电机 3.4 点聚焦集热器 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 （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

10、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 n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 柄连杆机构带动发电机转化成电能输出。 斯特林循环的压-容图和温-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： 3.4.2 塔式-定日镜系统 定日镜形式 吸热塔的结构形式 混凝土塔钢塔 3.5.1 抛物槽式聚光器 3.5 线聚焦集热器 n抛物槽式聚光器的结构与 部件 抛物

11、型聚光面 长条型支架 水平横轴 子午面旋转 水平管吸热器 柔性连接管 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。 抛物槽式聚光的优缺点 抛物状镜元 3.5.2 线性菲涅尔式(LFR)聚光器 LFR聚光系统的结构 LFR聚光镜场 不同月份镜元倾角的变化

12、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 s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

13、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， 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

14、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 n大气传播衰减 由较长的反射光传播路径Tp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， 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

15、影面 积之和与镜元总面积A之比来定义， 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 (四种吸热器形式） 3.5.3 复合抛物面聚光器 由美国学者Winston发明，早起 用于高能物理中的射线检测，1974 年开始用于太阳能技术。 特点: 聚光而不成像, 不需跟踪, 只需随季 节少量调整角度 聚光比一般在10以下 工作温度在80250之间 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 聚光比定义为收光孔面积与吸热 器面积之比，

16、即 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 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 太阳视运动规律编制程序，来达到控制目的。开环控制需要高精度的 太阳位置算法。 闭环控制基于反馈原理，通过检测太阳位置，得到控制器的 反馈输入信号，然后控制伺服机构驱动聚光装置转动。闭环系统不能 克服天气条件的影响，很少单独使用。 （3） 控制机构与执行机构 控制机构负责存储信息、发布指令以及记录时间，包括单片 机、时钟日历芯片、键盘显示芯片、LED显示灯等。 执行机构使聚光镜产生转动的部件组合，包括步进电机、减速 装置等。