聚光集热器曲面弧度对光源利用效率影响的研究

总结报告

负责人：张燕 成员：吴会平 吴晓庆 指导教师：关雪梅

聚光集热器曲面弧度对光源利用效率影响的研究

一、项目内容

随着世界化石能源的日益枯竭和化石能源造成的环境污染和生态破坏问题的凸显，世界各国日益重视太阳能、生物质能、风能等可再生能源的开发利用。 太阳能热发电技术是规模化开发利用太阳能的一种方式，具有广阔的发展前景。 我国发展碟式太阳热发电技术具有十分重要的战略意义，因为：1）为适应经济全球化趋势，发展适合我国国情的太阳热发电技术是必要的。太阳热发电、光伏发电和风力发电等可再生新能源技术并重、协调发展，是客观需要。2）从国际太阳能利用技术的发展趋势来看，太阳热发电技术是可再生能源技术的一个新的焦点，在抛物面聚焦式太阳能系统上有新的突破，而这类系统又适合发展中国家的经济水平。3）发展太阳热发电将带来显著的社会、经济、环境效益；将减少温室气体排放，增加高技术水平的就业机会，成为新能源的经济生长点，实现可持续发展；顺应经济飞速发展及环境生态保护的大趋势。4）我国目前尚未建设一座太阳热电站，人们对环境问题的关注和能源消耗的增加，使得太阳热发电迎来了新的商机.

与槽式、塔式太阳能热发电系统相比，碟式太阳能发电系统具有结构简单、布局灵活、发电效率高、系统优化潜力和成本降低潜力大、初涉潜力大、初始投资少、应用前景广等一系列优点，因而成为了国内外研究的焦点。

碟式太阳能发电系统是利用弧面反射镜，将反射阳光聚集在焦点上，放置在焦点处的太阳能接收器收集较高温度的热能，加热工质，驱动发电机组发电；或在焦点处直接放置太阳能斯特林发电装置发电。

碟式太阳能发电中聚光集热器是比较重要的原件，它负责将阳光汇聚到焦点上，从而触发以后收集太阳能的后续工序，其也是太阳能热发电系统中最具技术挑战性的研究课题。集热器的热性能的提高对提高太阳能热发电系统的发电效率有着至关重要的意义。集热器的传热具有以下几个特点：能量分布时间和空间的高度不均匀性、较高的工作温度、极高的热流密度、辐射传导对流相互耦合的能量传递过程等。因此，开展对集热器的复杂多物理传递规律研究，针对组合式太阳能集热器建立描述能量传递过程的数学物理模型；对集热器的吸热器在不同传热介质（水、空气、熔盐等）在高温高热流密度条件下的复杂耦合传热过程进行实验研究和模拟预测；分析太阳辐射热流密度及其分布、表面的辐射及反射性能等对提高吸热器性能及太阳能热发电系统的效率是极为有意义的。

二、创新点

碟式太阳能发电系统是利用弧面反射镜，将反射阳光聚集在焦点上，放置在焦点处的太阳能接收器收集较高温度的热能，加热工质，驱动发电机组发电；或在焦点处直接放置太阳能斯特林发电装置发电。

碟式太阳能发电中聚光集热器是比较重要的原件，它负责将阳光汇聚到焦点上，从而触发以后收集太阳能的后续工序。而显然，改变聚光集热器的曲面弧度提高其对阳光的汇聚能力，从而可以提高对阳光的利用效率。

我们项目的特色和创新点在于改变聚光集热器上用于反射镜的曲面类型，分别进行实验，比较这几种不同聚光集热器对阳光的利用能力，从实验结果中找

出最优的曲面设计。

三、通过不同曲面各项损失来计算比较

本项目的主要研究对象是运用与碟式太阳能热发电系统中的碟式集热器。研究碟式太阳能的聚光器的目的就是更好的提高它的聚光能力。如何提高聚光能力是一项非常复杂的项目，我们需要研究的包括聚光器的大小尺寸、曲面弧度、曲面的光洁度、曲面反光材料的选择和成本预算等都是可以影响确定最佳聚光器曲面弧度的因素。通过确定最佳曲面进而提高聚光器对光源的利用率。

本项目通过改变聚光集热器上用于反射镜的曲面类型，主要对抛物面聚光集热器和双曲抛物面聚光集热器两种曲面分别进行实验计算，比较不同聚光集热器的热损失来比较出其对阳光的利用能力，从计算结果中找出最优的曲面设计。

而集热器的热损失主要是聚光面光反射损失和吸热器的的各种热损失。

一）聚光损失

投射到聚光集热器上的太阳辐射，在聚焦过程中可以分为三类：第一，散射辐射损失；第二：光反射损失；第三：聚焦损失。下面分别讨论这三种损失。

1）散射辐射损失

如果某种聚光器只能利用太阳的直射辐射，即散射辐射全部损失，则能量平衡中投射到聚光器光孔上的太阳辐射应当是GbRb，其中Gb是直射太阳辐照度，

Rb为倾斜面上和水平面上直射太阳辐照度得比值。

然而，采光角较大的聚光集热器仍可吸收其中相当一部分辐射散射。若假定在聚光器光孔上的散射辐射是各向同性的，则投射到聚光器光孔上的散射辐射中至少有1/ C可以到达接收器。

2）光反射损失

光反射损失的大小常用镜反射比?来评定。定义为：投射到反射面面上的平行光符合反射角等于投射角的百分数。它是表面性质及表面光滑度的函数。当接收器具有透明盖层时，透明盖层的影响可以用透射比?来考虑，。接收器表面的性能也可以用吸收比?表示。当使用空腔形接收器时，?可接近于1，?与?都和太阳辐射对于透明盖层与接收器的平均投射角有关。反射光束对于接收器的投射角取决于光束在镜面上反射点的位置和接收器的形状。乘积的值必定是通过透明盖层和镜面各点反射到接收器上的辐射作用积分求得的平均值。

3）聚焦损失

由镜面反射的辐射通常会有一部分不能投到接收器上，特别是当镜面和接收器配合不当时。这种反射损失的大小可以采用采集因子?表示。采集因子表示镜面反射的辐射落到接收器上的百分数。

当聚光器的光学性能一定时，增大接收器的尺寸可以减小光学损失，但要引起热损失的增大，反之亦然。因此接收器的尺寸应以热损失和光学损失总和减至最少为适当。 二）吸热器的各类热损失 a)腔体内表面对聚焦光的反射损失： 设腔式吸热器内腔表面积为Aw，吸热器采光口面积为A1。由文献[9]可给出有效吸 收率为: aw acov?1?(1?aw)(1?A1/Aw) aW——腔体壁面材料对太阳辐射的吸收系数 式中， 反射率?cov 所以，反射热损失： awPre??covPap?[1?]Pap A11?(1?aw)(1?) Aw由以上公式可以看出，由于腔体内壁面对提太阳辐射的吸收系数一般为常数，所以材料吸热器表面积、采光口面积确定时，吸热器的反射热损失一般确定。且只有开口面积等于腔体内壁表面积时，反射热损失最大。文献[7]中，以aw为0.85?cov?1?acov?1?aw1?(1?aw)(1?A1/Aw)为例，腔体对入射光的反射损失大约为0.15。 同时，可以看出腔体反射率与吸热器的结构参数和腔体内壁的吸热涂料有密切的关系，是吸热器的固有属性。一般不会因其它的参数而改变。 b)腔体的辐射热损失 辐射热损失来自于腔体内表面和环境间的辐射换热与太阳光反射后溢出采光口部分太阳能。文献[7]有计算腔体内表面与环境间的辐射换热公式。由于腔式吸热器与环境相比无穷小,由简化计算可得出腔体与环境的辐射换热关系式为： 44 Prad??ap?(Tw?Ts)A1式中，?——斯忒藩—玻耳兹曼常数（5.67?10?8W/m2?K4） ?ap——腔体的有效发射率 ?w??ap 1?(1??w)(1?A1/Aw)Tw ——腔体内壁的平均温度 T1 ——环境温度 c)腔体的对流热损失 吸热器的对流热损失包括腔内温度和环境温度差带来的自然对流，以及环境