%a7复合抛物面太阳能聚光器的优化设计

㈩
将二维ＣＰｃ的反射面向中心轴旋转一定角度ｐ，其聚光比Ｃ和最大聚光角口～与旋转角度卢的关系为：
‰一ｈ
ｉｉ云ｉ万葶面耍亟乒 ｃ．口ｌ一顾同。√４¨（ｃ２—１）＋世二丛等旦旦兰
聚光比，这是不可取的。
口一＝眦ｓｉＩｌ击鼍
（２）
（３）
为了给出变尺寸对ＣＰｃ性能影响的直观印象，
图３给出了ＣＰＣ进、出光孔直径分别为１ｍ和０．２ｍ
原点）：
（６）
其中比例常数Ｊ｝。（入射光斜率）、６分别为：
”矾卅＇６＿等拦铲
因为（口：，Ｊ１）点必在抛物线上，故口：、＾必须满足：
一Ⅱ２ｓｉＩｌ口＋＾ｏｏｓ口＝Ａ（口２００８口＋＾８ｉｎ口）２
（７）
入射光线和抛物线的交点（凰，ｙｏ）必然满足：
凰＝等，碥＝％＃
其中：ＪＤ＝￣／砰＋４Ａ６。
抛物线上点（蜀，ｙ０）的法线斜率为：
式中，常数Ａ＝云怎兰酱，是由抛物线通过
Ｙ＝Ａｘ２ （５）
～口１ＣＯＳ口＋ｆｌＳｌｎａ Ｊ
（口。，Ⅳ）点得到的，其中口为ｘ－Ｙ坐标系相对于ｘ－ｙ 坐标系旋转的角度。 图５中，在ｘ－Ｙ坐标系下，与ｙ轴成口角的入射 光线方程可写为：
Ｙ＝后ｌＸ＋６
图４
Ｃ戏：叠置光漏斗示意图
№．４ １ｈｅ ｄｉａｌ舢ｏｆ岫啦ｈＩｎｄｉｓｌＩ ｍ ＣＰｃ ｒｌａｐｐｅｄ 分析表明，两级ＣＰＣ组成的光漏斗的透光率将 主要取决于第二级ＣＰＣ的结构。为此，需要对第二 级ｃＰｃ进行优化设计。特别需要研究其进出口宽 度、高度等与光线入射角的关系。 ２．１第二级ａ，Ｃ相关参数的确定 图５中给出了一个第二级ＣＰｃ的光路图。图 中曲线（即光线的反射面）的右半部分是一个普通抛 物线逆时针旋转一定角度后的抛物线，顶点和对称 轴均通过原点。曲线的左半部分是右部分在空间中 旋转与碍平面形成的截线，或是右部分以ｙ轴为对 称轴在左边的镜像。因此，曲线的右半部分可写出 通用的抛物线方程为（已考虑顶点和对称轴均通过
大，将可使进光口的宽度大大缩小，从而极大地减少
时，其聚光比Ｃ和最大聚光角日一随几何尺寸改变 量之间的关系。 图３的结果说明，对进光孔直径为ｌｍ，出光孔 直径为０．２ｍ的ｃＰｃ，从下截底Ｏ．１５咖，最大聚光角 增加１００，反射面向外平移１５ｍ，效果与截底情况差 不多。但如果是反射面向中心轴旋转４０，即可使最 大聚光角增加ｌｏｏ，当旋转角达到６０～７０时，可使最 大聚光角增加２００以上。可见，采用旋转反射面的方 法是最可行的。但是反射面的旋转角度也要受一定 限制，因为全尺寸的ｃＰＣ很高，如果旋转反射面过
ｆ＋口】【），＋鲁尹一雩ｘ＋ｃｙ＝ｏ
（４）
ｃｌ瑚移０ｆｃＰｃ枷嘲【ｌｃｉ％
伽ｔｌ把ｍ羽面叫ｍ
ｃ０删Ⅺｍ蒯∞咄
式中，口、ｃ——两个待定常数。已知该抛物线过 （口。，日）和（口：，＾）两点，所以口和ｃ可以求解出来， 其中口卜口：分别是改进后的ＣＰｃ的进、出口的半宽
度。
由于作为反射面的抛物线的对称轴不是ｙ轴， 所以抛物线方程非常复杂，为此采用旋转坐标法，并 以抛物线的对称轴为Ｙ轴，建立抛物线方程如下：
３．咖ｌ，时间响应小于３０ｓ。
最大集光角８／（ｏ）
图９截底高度Ｊｌ随日的变化 Ｆｋ．９ Ｃ叫ｉｎｇｆＬＩｌ【ｌｄ岫ｌｌｅｉｇｌｌｔ＾ｖａｒｉａｔｉ∞ｗｉｄｌ日
珊．１ｌ蛐№ｈｅｉｇｋ＾Ⅷｉ撕伽袖口
３实验测试与分析
研究中实际制作了一个由两级ｃＰｃ叠置组成 的光漏斗（如图４所示），制作材料和相关参数分别
介绍如下：
图ｌｌ截底高度Ｊｌ随口的变化
最大集光角∥（。）
图ｌＯ出口宽度口２随口的变化
随．１０№－ｌｆ
０ｆ砌印拙口２Ⅶｒｉｌ曲帆ｗｉｔＩｌ口
图ｌＯ、图１１指出，当口，和日为定值时，口的变 化对出口宽度口：和截底高度＾的影响规律是相同 的，但口的变化对口：和＾的取值有较大影响。当 １５０＜占＜２００时，口增加，口：和＾基本不变或变化很
总辐射表，灵敏度７～１４一／Ｗ・ｍ～，光谱范围０．３～
１．１小节的分析表明，ＣＰＣ的最大聚光角是其重 要的性能指标之一，只有小于最大聚光角的入射光 线才能从出光口导出。而对于高度与进光口径之比 大于ｌ的聚光器，其最大聚光角一般小于１５０【８ｌ，不 利于太阳光的全天候采集，因此有必要研究改变
ＣＰＣ的结构尺寸以提高其采光性能。
出光口，而是从进光口被反射回去，如图２ｂ。
馥＞ｌ／２钆。
对于一个给定集光比的全尺寸ｃＰｃ，通常有如 下４种方法可以提高其最大聚光角或改善其聚光性 能：①从上端将ＣＰｃ截短；②从下端将ｃＰｃ截短；③ 以对称轴为中心，将ｃＰｃ的反射面向外平移；④将反 射面向中心轴旋转一定角度。其中①是最常采用的 方法，实际设计中都把计算高度截去ｌ／３甚至一半 以上，以减少材料成本和缩小实体尺寸。而这一过 程对ｃＰｃ性能的影响并不大。计算表明，槽形ｃＰｃ 从上截短５０％，即高度与光孑Ｌ宽度之比约减小５０％ 时，只引起集光比降低１０％，而平均反射次数却减小 了２０％以上，局部上还提高了聚光器的性能旧Ｊ。
２．２．３出口宽度和截底高度随光线入射角的变化
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
在给定口１＿２２．５ｃＩＩＩ，口＝６０咖的条件下，图１０、
图１１分别给出了出口宽度ａ：和截底高度＾随口的 变化关系。
第一级ＣＰｃ的制作基材为玻璃钢，反射表面 贴有反射率８５％的反射铝膜，进口直径２口＝０．３６ｍ
昌
告
越 弑 井
口
（面积０．１０２ｍ２），出口直径２口。＝０．１２ｍ（面积
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阳
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学
报
２９卷
要跟踪太阳才能取得较好的效果。 绕端点旋转的角度酬ａ）
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图５二级Ｃ霉Ｃ设计及光路图
隐．５
图３变尺寸ｃⅨ：对最大聚光角的影响 Ｆｋ．３，ＩｌＩｅ
８ｌｌａｐｅ
１ｔ－ｅ蛐ｌ ａｎｄ蛐ｄｉａｇ跚０ｆｔｌｌｅ嗍ｌｄ姆ｃＰｃ
小。但当口从ｌＯｏ变化到１４０时，口：从７．６啪变化到 ８．８咖，而＾则从５．１咖变化到６．３锄。说明，口的
增加对减小口：不利。当口＞２００时，曰增加，则口：和
ＩＩｌ迅速增加，不利于提高集光比。需要指出的是，这
是在口＞１００时得到的结果，当口＜１００时，情况可能 会发生变化。
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１ｈｅ蚺ｄｉ删０ｆ ｓ咄ｓ幽ＣＰｃ
图２单级ｃ代的光路图
对二维的ｃＰｃ（当光平行ＣＰＣ对称轴入射时，三 维情况也一样，下同），从下端将其截短，其聚光比Ｃ 和最大聚光角口一与截短长度髫的关系为：
１．２变尺寸复合抛物面聚光器【ａ℃）的性能变化
。一塾正霉土盘
同样，对二维的ｃＰｃ，将其反射面向外平移，其聚光比ｃ和最大聚光角口一与平移距离菇的关系为：
０．０１１矗）；
第二级ＣＰＣ的制作基材为不锈钢，反射表面 贴有反射率８５％的反射铝膜，进口直径２口Ｉ＿０．１２ｍ
（面积０．０ｌｌｍ２），出口直径２口２＝０．０５ｍ（面积０．００２
米 习
ｎｆ）；日一＾＝３０．５伽，口＝１２。。
１５．０ １７．５ ２０．０ ２２．５ ２５．０ ２７．５ ３０．Ｏ
在晴朗天气条件下，将光漏斗的轴线对准太阳， 测量光漏斗进出口的太阳光辐射强度，据此可计算 出光漏斗的太阳光通过率或聚光效率（出口太阳光 能量比进口太阳光能量）。测试结果如表１所示。 为了研究太阳光入射角对聚光效率的影响，偏转漏 斗光轴到不同角度，测量出此时刻出口的太阳光辐 射强度。结果如图１２所示。所用仪器为佃Ｑ一２型
２
ＣＰＣ叠置式太阳能聚光器的设计
单级ｃＰＣ聚光器的集光比十分有限，为了将太
及优化
阳光进一步浓缩，有必要设置二级ＣＰＣ。图４给出 了由两个ＣＰＣ叠置组成的光漏斗的光路示意图。 单级ｃＰＣ聚光器的最大聚光角本来就十分有
限，叠置二级ＣＰＣ后，系统的最大聚光角将进一步
减少，一些原本已经通过第一级ｃＰＣ的太阳光将通 不过第二级ＣＰＣ。因此两级ＣＰｃ组成的光漏斗，需
７期
郑宏飞等：漏斗式二级复合抛物面太阳能聚光器的优化设计
设计中，抛物面Ａ的焦点落在抛物面Ｂ的下端 点上，同样Ｂ的焦点落在Ａ的下端点上。两个抛物 面上下端点的连线相交，夹角定义为最大集光角 口一。如果入射光线与ｃＰｃ对称轴线的夹角小于ｌ， ２口一，则可以被反射到出光口，如图２ａ；如果入射光
线与ＣＰＣ对称轴线的夹角大于１，２口一，则不能达到
（８）
后：一瓦ｂ一去一南（９）
反射光线的斜率为：
太
阳
能
学
报
２９卷
同的日值，当口取较大值时，口：可取更小的值，这 是值得注意的。图９说明，当日值增加时，需要截 底高度Ｉｌｌ也增加，且较小的口值所对应的＾值更 大，亦即需要截底高度越大。但当日较小时，即日 在６０～６５锄范围时，口值对截底高度影响较小，＾ 取１０一１２锄合适。