一种微型太阳能聚光集热器

一种微型太阳能聚光集热器
徐众1,2　刘黔蜀2
1.攀枝花学院 生物与化学工程学院，
2.攀枝花学院 太阳能技术集成及应用推广四川省高校重点实验室，四川攀枝花617000
太阳能作为可再生能源的一种具有较好的开发应用前景，目前太阳能热水器应用已经比较广泛，而太阳能中高温利用方面还处于研究阶段，主要是因为其成本高，回收期限长。

现在太阳能中高温利用主要集中于发电方面，而工业应用则很少涉及。

和传统的中高温集热器相比微型线性菲涅耳集热器具有造价低、土地利用率高和低风载等优势[1]，比较适合于工业生产应用。

目前普通的太阳能热水器只能在低温（100℃以下）方面应用，而中高温（100℃～300℃）段使用槽式、蝶式和塔式聚光集热器价格比较贵，该温度段刚好是一些微型菲涅耳集热器发挥成本低、又可以提供所需过程热的优势。

在中温（100℃～250℃）范围内使用LFR集热器具有好的效益[2]。

1　线性菲涅耳集热器的发展
1.1　国外发展状况
在1957年Baum等人首次提出使用平面镜反射场将太阳光线汇聚到一个固定的接受器上的观点[3]，这一构想在1961年的法国得以实现。

1991年PAZ公司则在Ben-Gurion太阳能发电技术测试中心建立了一个大型的线性菲涅耳集热器，由于光学效率问题导致该集热器的热效率非常的低。

2001年Mills and Morrison提出使用紧凑型镜场，使每一行反射镜之间的距离均匀减小，结果显示光学效率有明显的提高[4]。

在Mills and Morrison 的基础上Dey开展了接受器的热传导计算,他采用有限元分析法得出了接收器表面温度和流体进口温度最大温应该差小于20℃[5]。

同年Belgian公司建立了一个2500平方米线性菲涅耳集热器，并且做了相关的产汽实验。

2005年澳大利亚建立了一个1M W的菲涅耳聚光电站，以色列则使用该聚光器做太阳炉研究。

2007年该公司又在西班牙的Almeria建立了一个线性菲涅耳集热器，随后德国的弗劳恩霍夫研究所的一个附属公司开始生产这种集热器并且实现局部商业化[6]。

随后Ausra公司在美国的吉利福尼亚州建立了一个5MW的LFR 发电站，并通过The Carrizo Energy Solar Farm Project准备建立一个177MW的LFR发电站[7]。

2009年3月德国Novatec Biosol公司建立了一个镜场面积约为18,000m2(高1.8m，占地面积4.4英亩) PE1太阳能线性菲涅耳聚光电站 。

PE1工作原理是介质在线性吸收器里面直接吸收平面镜反射的太阳光变为270℃的蒸汽后直接推动汽轮机转动实现发电。

当 PE1 电站进入商业化以后，Novatec Biosol 公司又设计了一个30MW太阳能线聚光聚光电站PE2，2010春天PE2开始建造在Murcia。

Novatec Biosol公司又开始策划建造一个60MW 的线性菲涅耳聚光电站[8]。

AREVA Solar 公司则在澳大利亚的新南威尔士州建立了一个线性菲涅耳反射式聚光集热器每年为利德尔电站提供2000MW的能量，综上所述线性菲涅耳聚光集
摘　要：介绍一种微型线性菲涅耳集热器，首先，采用光学追踪软件对线性菲涅耳集热器的二次反射器进
行模拟研；其次，通过理论计算得出微型线性菲涅耳聚光集热器的安装初始角；最后，计算出微
型聚光系统的镜场几何聚光比为13.4，模拟得出能量聚光比和平均光学效分别为8.3和58%。

此外
还进行了初步的试验测试，测试结果显示在0.7MPa条件下可产生165℃的饱和蒸汽。

关键词：能源；太阳能；菲涅耳集热器；效率
中图分类号：S214.9
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热器最近几十年在国外得到了较好的发展。

1.2　国内发展状况
在2010年7月17日上午，皇明自主研发线性菲涅耳式中高温热发电站在中国太阳谷举行开工仪式，该项目全球首创性地在厂房楼顶上建设了一个发电站，且发电技术为最新潮的太阳能热发电。

它的发电站装机容量为2.5M W，建成后年发电量约450kW.h，可供约7000个家庭的全年用电。

2011年山东大学的宋固在实验室建立了一个1K W的C P C型线性菲涅耳反射式聚光集热器并对其性能进行了分析，实验结果得出其效率可达61.8％。

近几年我国最也循序渐进的展开线性菲涅耳集热器的研究，其中杜春旭、王普、马重芳等人对小型线性菲涅耳集热器的镜场遮挡[9]、镜场辐射量[10]、系统跟踪[11]以及系统的聚光比[12]进行了详细的理论研究。

云南师范学太阳能研究所的浦绍选教授则对微型菲涅耳集热器的光学设计[13]、端部损失[14]和集热器的能损[15]进行模拟分析。

目前国内对微型菲涅耳集热器的研究还处于尝试阶段，因此在未来应该会具有很好的发展前景。

2　微型线性菲涅耳聚光集热器
2.1　几种线性菲涅耳集热器
线性菲涅耳集热器主要分为两类：一类就是单次反射集热器，另外一类就是二次反射集热器。

一次线性菲涅耳集热器接收器的光口宽度相对大一些，对集热器镜场的遮挡也相对大一些。

目前国内外研究的较多的是带梯形接收器的线性菲涅耳集热器，主要是因为梯形接收器在一定程度上减小聚光光口宽度，从而减小对集热器镜场的遮挡，另外梯形接收器制造工艺简单。

但是这种类型的菲涅耳集热器吸收体大多都是金属管所以效率比较低，因此很多人就开始考虑使用真空管作为吸收体提升其热性能。

这样做真空管接受到的太阳辐射主要集中于下表面而上表面几乎没有，在此基础上就产生了二次反射线性菲涅耳集热器，目前研究比较多有以下几种如图1所示，其中（a）是带有三角形二次反射器的线性集热器；（b）是带有梯形二次反射器的线性集热器，和此类型相似的集热器还有几种，它们的吸热管采用的是价格更加便宜的铜管或铝管；（c）是带有CPC型二次反射器的线性集热器；（d）是本文所要介绍的微型线性菲涅耳集热器。

（a）
（b）
（c）
（d）
图1 几种线性菲涅耳集热器聚光原理
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2.2　微型线性菲涅耳聚光集热器简介
微型线性菲涅耳集热器主要由初级反射镜、跟踪器、二次反射器、真空直通管和支架构成。

初级反射镜是将48块小条的平面镜（宽100mm，长500m m）按菲涅耳聚光方式以一定角度拼接成大的跟踪反射镜模块，反射镜场的长和宽分别为6000mm和2950mm，并且在六块反光镜的端部安装上太阳能跟踪器；次级反射镜由两块圆弧半径为70mm的铝合金挤压而成，其光口宽度为18m m；吸收体采用的是三根有效长度为2000mm，含两端接口长为2120mm的真空直通管组成，如图2所示。

微型线性菲涅耳集热器有三个新颖之处：其一，初级反射镜场是由多块小平面镜（宽10mm 左右）按菲涅耳聚光方式拼接成的反射镜模块所组成；其二，二次反射镜采用的是两块铝合金四分之一圆弧构成这种反射器容易生产且价格便宜，而且还可以使吸收体表面的光强分布更加的均匀；其三，吸热管采用的是直通真空管耐高温高压。

微型线性菲涅尔聚光集热器还具有以下特点：采用普通的平面镜作为反射器降低了成本；系统采用的是双跟踪可以减少端部损失，从而提高其效率；系统使用二次反射可以使接受体表面
光强分布相对均匀。

图2 实验装置结构图
2.1　微型线性菲涅耳聚光集热器二次反射器聚光模拟
目前线性菲涅耳集热器使用的常见二次反
射器主要有梯形、CPC型、圆弧形这三种。

使用的吸收体大多是金属管道，热损比较大，使用梯形二次反射器就需要在底部安装玻璃背板和保温层，生产工艺就会更加复杂。

用CPC作为二次反射器其工艺也比较复杂，而且对几何精度要求更高，微型线性菲涅耳集热器选择在吸收器上方安装双圆弧状的二次反射器，工艺更简单，价格也
更便宜。

图3 几种二次反射器聚光图
带梯形、CPC型、圆弧形二次反射器的线性菲涅耳集热器吸收体体表面上的反射光线大部分集中在吸收体的下表面上，上表面几乎没有光线到达如图3所示。

微型菲涅耳集热器选择在吸收体上方1cm左右处安装两块圆弧状次级反射镜，目的就是为了使接收器上下表面的光线分布相对均匀如图3中的e所示。

此次设计的1/4双圆弧二次反射器在光学上是可行的。

2.1　微型线性菲涅耳聚光集热器初始角确定
当太阳在正午太阳直射时可以确定镜元的初始角大小，其光线如图4所示，从图4中的几何关系可以确定镜元的初始角的计算式（1）。

式中的 表示的就是第n块镜元的初始角度；　表示的是反射光线与镜场对称线之间的夹角；　表示的是第n块镜元到镜场中心的距离； 表示的是接收器中心到镜场中心的垂直距离。

（1）
将微型菲涅耳尔集热器的基本参数带入式（1）就可以就算出镜元的初始角度如表1所示，
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规定镜元反射面向西 取正，镜元反射面向东取
负。

图4 太阳垂直入射时镜场的分布
图5 微型菲涅耳集热器聚光模拟表1集热器初始角
接收器高度H/mm 15000
反射镜编号距离中心镜场的距离（mm）初始角度（°）1#254.5 4.822#763.513.493#1272.520.154#254.5-4.825#763.5-13.496#
1272.5
-20.15
从图5可以看出使用初级反射镜由四块小的平面镜组成一个大的反射镜元，其宽度与二次反射镜的光口宽度不匹配，所以就需要对镜元的倾角做出相应的调整使其成为一个略带弯曲的反射面这样光线就会汇聚到接收器上面。

从模拟图中还可看出集热器接收器上表面的光线大多数来自二次反射器的反射，这也说明在该微型聚光集热器的上方安装一个二次反射器是有必要的。

在模拟过程中如果聚光效果不好，可以使用上面的公式（1）对小的镜面角度进行调整，从而达到更好的聚光效果。

实验使用的反射镜的面积为 =14.4m 2
，接收器光口面积是 =1.08m 2，吸热管吸热面积 =1.32m 2，集热器总面积为 =17.72m 2。

反射器面积的几何聚光比：
反射镜场的面积的几何聚光比：
能量聚光比：
文中采用模拟计算得出能量聚光比的平均值为8.3。

通过模拟得出其在冬至、夏至和春分时的光学效率分别为0.47、0.66和0.60。

初步试验得出其热转换效率为33.5％左右，且在0.7MP a 时可以产生165℃的饱和蒸汽，完全可以满足部分工业需求，所以在未来工业应用具有很好的前景。

3　小结
目前能源已经成为制约一个国家发展和前进的重要因素之一，所以各个国家都在大力发展可再生能源，风能、水能、核能、地热能和潮汐能等都在不断的被开发利用。

太阳能也是新能源，在低温方面的到了很好的推广，而中高温工业应用则比较少。

微型线性菲涅耳聚光集热器，占地面积少、造价低、还可以产生满足工业需求的蒸汽，很适合一般的工业应用。

另外通过模拟结果可以看出使用双圆弧二次反射镜后达到接受器上下表面的光线更加均匀，这样有利于热能传导减小热损，但其同样存在着许多不足：
（1）在集热器的上方安装二次反射镜增加集热器的接收光口宽度的同时也会增加其对镜场的
遮挡面积，降低光学效率；
（2）初级反射镜使用的是普通的平面镜效率低，在夏季最强时效率才达到66%，另外表面容易被灰尘覆盖，不易清洗；
（3）接收器采用的是耐高温的直通真空管价格比较高（3000元/每根），需需找更加便宜的接收器替代次直通管；
（4）初次测试集热器的热效率才达到33%，比同类型的集热器要低。

参考文献：
[1] 杜春旭，王普，马重芳等．线性菲涅耳太阳能聚光系统[J]．能源研究与管理，2010，(3)：7-10
[2] Singh PL, Ganesan S, Yadava GC. Technical note Performance of a linear Fresnel
concentrating solar device[J]. Renew Energy ,1999;18(3):409–416
[3] Baum VA, Aparasi RR, Garf BA. High power solar installations [J].
Solar Energy:1957;1(1):6-12
[4] Mills D, Morrison GL. Compact linear Fresnel reflector solar thermal power plants[J].
Solar Energy 2000;68(3):263-283
[5] Dey CJ. Heat transfer aspects of an elevated linear absorber[J].
Solar Energy2004;76(1):243-249
[6] Häberle A, Berger M, Luginsland F, Zahler C. Practical experience with a linear concentrating
fresnel collector for process heat applications. In: Proceedings of the 14th international symposium on concentrated solar power and chemical energy technologies, March 4-7, Las Vegas, Nevada, USA; 2008
[7] Ausra (2009),
[8] "World First in Solar Power Plant Technology”.
/index.php?article_id=43&clang=1
[9] 杜春旭，王普，马重芳等．线性菲涅耳聚光系统无遮挡镜场布置的光学几何方法[J]．
光学学报，2010，30(11)：3276-3282
[10]杜春旭，王 普，吴玉庭等．线性菲涅耳聚光镜场辐射量计算方[J]．
化工学报，2010，62(s1)：179-184
[11]杜春旭，王 普，马重芳等．菲涅耳太阳能聚光系统跟踪倾角的矢量算法[J]．
太阳能学报，2011，32(6)：31-35
[12]杜春旭，王 普，吴玉庭等．线性菲涅耳聚光装置的聚光比分析[J]．光学学报，2011，31(8)：1-7
[13]浦绍选，夏朝凤．全平面镜线反射太阳聚光器的光学设计[J]．农业工程学报，2011，27(12)：282-285
[14]浦绍选，夏朝凤．线聚光菲涅耳集热器的端部损失与补偿[J]．农业工程学报，2011，27(1)：282-285
[15]徐众，浦绍选，夏朝凤．线性菲涅耳集热器的能损分析[J]．能源研究与利用，2012，(2)：40-42
作者简介：徐众（1985），男，云南宣威人，助教，主要从事太阳能光热利用。

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