反射聚焦式太陽能集熱裝置原理探索

曾令倫

(樂山市市中區(qū) 四川 樂山 614000)

太陽能是一種取之不盡、用之不竭的綠色能源．加強對太陽能的研發(fā)利用，是人類緩解能源危機、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的長遠戰(zhàn)略．但太陽能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源[1]，必須想辦法把它集中起來，才能有效使用．所以，太陽能集熱器是各種太陽能利用系統(tǒng)的上游部件，其效能高低，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的功效．研制高效集熱、緊湊結(jié)實、經(jīng)濟實用的集熱裝置，是當前太陽能熱利用技術(shù)的發(fā)展方向．本文從原理上設(shè)計了一種反射聚焦式太陽能集熱裝置，能最大限度地吸收一定空間范圍內(nèi)的太陽光線，具有占地面積小、吸熱功率高、聚能密度大、可升溫度高、可機動設(shè)置等特點．

1 現(xiàn)有研究成果

目前，太陽能集熱器已發(fā)展出多種類型，屬于中高溫集熱領(lǐng)域的有槽式、塔式和碟式集熱器[2,3]，它們代表了當今世界太陽能集熱技術(shù)發(fā)展的主流方向．這三種集熱器，不僅需要精準復(fù)雜的對日跟蹤系統(tǒng)，而且需要龐大的定日鏡、反射鏡等，占地面積過大．如2012年10月，由中國華能集團自主研發(fā)的太陽能光熱發(fā)電項目在海南三亞投產(chǎn)，利用太陽能產(chǎn)生400～450℃的過熱蒸氣，其集熱系統(tǒng)占地10 000 m2[4]；2012年8月，由中科院電工所牽頭研發(fā)的延慶塔式太陽能熱發(fā)電站調(diào)試成功，可產(chǎn)生400℃高溫蒸氣，推動1.5兆瓦汽輪發(fā)電機運行，但系統(tǒng)包括一個119 m高的集熱塔、在塔的南側(cè)地面上呈扇型分布著100面巨大的玻璃鏡(定日鏡)，每面鏡子100 m2 [5]．如此龐大的設(shè)備，建設(shè)成本高、占地面積廣，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用，尤其是在太空無法應(yīng)用．

2 研制反射聚焦式太陽能集熱裝置

利用凹面反射鏡和菲涅耳透鏡技術(shù)[6]，將正射和反射的陽光大部投射到一個大球狀透射鏡上，穿過透鏡再折射聚焦到位于球心中央的小球形吸熱器中，將其中工質(zhì)(水、氣體導熱油、熔融鹽或金屬液)進行聚焦加熱，變?yōu)楦邷亓黧w，輸入儲熱器．本裝置包括吸熱裝置、輸工質(zhì)管道、跟蹤太陽系統(tǒng)、工質(zhì)儲熱器．

2.1 設(shè)計吸熱裝置

如圖1所示，反射聚焦裝置包括1個半合攏大球形反射鏡、1個大球狀透射鏡、1個小球形透明吸熱器．反射鏡為1個大型空心球，下端被1根中空圓錐體穿過，支撐固定在一張轉(zhuǎn)盤上，左上端斜開一個圓形切口，作為陽光入射口．透射鏡為1個大型球形框架，下端設(shè)有圓孔，被中空圓錐體由下至上穿至中央，并被支撐固定；框架上鑲嵌若干面菲涅耳透鏡[7]，各面透鏡呈梯形凹面、最上方呈圓形凹面，聚光焦距較長，焦點均落在球心吸熱器中，確保四面八方光線都能聚集到吸熱器中．吸熱器為1個小型透明球形玻璃容器，設(shè)在框架球心，其殼體為耐高溫玻

璃①[注]① 耐高溫玻璃已發(fā)展出多種型號，如耐受350℃，450℃，600℃，750℃，1000℃，1200℃，1500℃，1700℃，2150℃等高溫玻璃；耐高溫粘合劑也發(fā)展出多種型號，如耐受350℃，450℃，750℃，1250℃，1280℃，1730℃等高溫膠水．，內(nèi)層厚、外層薄，中間夾層為真空，夾層間用一些小玻璃塊連接襯墊，外殼纏繞幾條玻璃纖維帶；吸熱器外接2條輸工質(zhì)管道、1條排垢管道；吸熱器被中空圓錐體上端截口支撐固定，兩條輸工質(zhì)管道、排垢管道均安裝在錐體中．

圖1 吸熱裝置示意圖

如圖2所示，啟用吸熱器時，回收壓縮機活塞，暢通噴口，調(diào)節(jié)螺栓，保持適當壓力；給球形吸熱器加注部分冷工質(zhì)，吸收太陽能后變?yōu)楦邷亓黧w，滲透過濾層，沿輸熱管、噴口、壓縮管道輸入儲熱器；當儲熱器中高溫流體與輸熱管中氣壓平衡時，啟動壓縮機，將輸熱管中高溫流體強行壓入儲熱器中，將熱能儲存起來．

圖2 單向高壓閥示意圖

2.2 設(shè)計儲熱器及輸送管

圖3 儲熱器示意圖

如圖3所示，儲熱器為一個大型中空圓柱體，內(nèi)層用耐高溫陶瓷制作、中間層用耐高溫隔熱材料和耐高溫合金包裹、外層用耐高溫保溫材料覆蓋．儲熱器預(yù)置多個接口，可同時吸收其他各套吸熱器，或鍋爐等排出的高溫流體．輸熱工質(zhì)管可采用復(fù)合保溫管，輸冷工質(zhì)管可采用不銹鋼．

2.3 設(shè)計反射鏡及跟蹤太陽系統(tǒng)

如圖4所示，安裝1個半合攏大球形反射鏡，其下端設(shè)有凹形曲面與圓錐體相接，底端固定在一張圓環(huán)形轉(zhuǎn)盤上，被角架支撐，將大球狀透射鏡包圍在內(nèi)下方．轉(zhuǎn)盤可圍繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)360°．在反射鏡開口部低端的正中下方，將一條半封閉矩形永磁體掛接在轉(zhuǎn)盤底板下，口部朝下，沿轉(zhuǎn)盤半徑輻射線分布．轉(zhuǎn)盤下端由一個中空圓柱形轉(zhuǎn)軸支撐，轉(zhuǎn)軸底端架設(shè)在一張圓環(huán)型底盤上，底盤又架設(shè)在一個中空圓柱形大轉(zhuǎn)軸上，并設(shè)有插銷可固定．將1個空心螺紋圓筒豎直內(nèi)穿轉(zhuǎn)盤環(huán)心、底盤環(huán)心、兩轉(zhuǎn)軸環(huán)心，通過旋緊圓筒兩端螺帽，將轉(zhuǎn)盤、底盤、轉(zhuǎn)軸固定在鉛直線上.底盤稍大于轉(zhuǎn)盤，其向陽一方邊緣處設(shè)置一個小半球感光器．底盤上沿半徑輻射線分布15條半封閉矩形螺線管，內(nèi)置軟磁材料，外繞銅心線圈，口部朝上，可與轉(zhuǎn)盤下永磁體口部正對．在向陽一方的半圓周內(nèi)，均勻分布11條螺線管，間隔18ɑ；在背陰一方的半圓周內(nèi)，均勻分布4條螺線管，間隔36ɑ．其中，第1～10號螺線管和第15號螺線管，只設(shè)有一個初級線圈；第11～14號螺線管，不僅設(shè)有初級線圈，還套裝1個次級線圈．

圖4 電磁驅(qū)動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)示意圖

如圖5所示，感光器是一個小半球環(huán)狀密閉盒．將球面向陽設(shè)置在底盤邊緣上，或陽光不受遮擋的其他地方，以左端半徑為起點，間隔18ɑ設(shè)置1張遮光板，將密閉盒分隔成11個獨立小室．從球心開始，由里向外設(shè)置三層半球面，半徑逐步增大．在最里層小球面上，第1個小室平行設(shè)置2個光敏電阻，第2～11個小室設(shè)置1個光敏電阻．在中間層球面上，11個小室各設(shè)置1面菲涅耳透鏡，其焦點落在本室光敏電阻上．在最外層球面上，其向陽外殼上各設(shè)置一個圓形透光玻璃板．合理設(shè)置透光板面積及其與透鏡距離，確保在陽光偏移幅度內(nèi)(18ɑ)，只有一個小室透鏡能有效受到斜射、正射陽光照射，并將陽光聚焦到本室光敏電阻上，其它小室的斜射陽光只能照在遮光板上，照不到透鏡上．隨著陽光偏移，11個小室從左至右順時針接受陽光照射，但始終只有一個小室透鏡能被有效照射，因而只有一個光敏電阻被激活；其中左側(cè)第1小室2個并列光敏電阻被同時照射．

圖5 小半球形感光器示意圖

此外，設(shè)計一套跟蹤太陽系統(tǒng)，分為反射鏡白天跟蹤太陽偏移自動旋轉(zhuǎn)電路和夜間自動控制旋轉(zhuǎn)電路．其中，白天跟蹤太陽電路由11個同相輸入比例放大器集成元件分別與感光器中11個光敏電阻、11條螺線管連接，形成11套將陽光偏移信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?，放大后觸通螺線管、吸引永磁體、牽引轉(zhuǎn)盤反射鏡旋轉(zhuǎn)的電路，最后1套電路將電流中斷信號傳遞給夜間控制電路；夜間控制電路由3個熱繼電器、1個光敏電阻分別與4個同相輸入比例放大器集成元件、4條螺線管連接，形成4套利用前一級集成電路中斷信號啟動本級集成電路、觸通螺線管吸引永磁體、牽引轉(zhuǎn)盤反射鏡旋轉(zhuǎn)的電路，最后1套電路將轉(zhuǎn)盤固定、次日早上受陽光照射時失去吸引力，將轉(zhuǎn)盤移交白天跟蹤太陽電路．

3 計算幾何聚光比

幾何聚光比是采光面積與吸熱器面積之比[8]．即

(1)

式中C為聚光比，A為采光面積，a為吸熱器面積．

如圖6所示，大球狀透射鏡四面八方都能吸收陽光，所以采光面積是指該球面上各透射鏡面積之和，它可由球體表面積減去框架占用面積、下方圓錐體穿其孔洞面積而得．吸熱器面積是指球形吸熱器的實際吸熱面積，可由吸熱器球表面減去它與圓錐體接觸面積而得．

圖6 球形吸熱器注記圖

3.1 計算吸熱器面積a

如圖6所示，當r1?r0時，吸熱器表面與圓錐體接觸的凹面積約等于以r1為半徑的圓面積．所以

a=S吸熱器表-S接觸面≈ 4πr02-πr12

(2)

3.2 計算采光面積A

如圖6所示，當r2?r3時，圓錐體穿過大球狀透射鏡的孔洞面積約等于以r2為半徑的圓面積．所以

A=S透射鏡表-S孔洞-∑S框架≈

4πr32-πr22-∑S框架

(3)

圖7 大球狀透射鏡表面框架圖

如圖7所示，參照地球經(jīng)緯線劃分法，將大球狀透射鏡框架分為經(jīng)線框、緯線框．假設(shè)有14條經(jīng)線框，每條經(jīng)線寬d，長2πr3，每條經(jīng)線框面積為2πr3d．則

∑S經(jīng)線=14×2πr3d= 28πr3d

(4)

設(shè)每條緯線寬d，赤道線框周長2πr3，其面積為

S赤道框=2πr3d

(5)

以赤道線框為中心，向北、南各設(shè)置3條緯線，分別為低緯線、中緯線、高緯線．南北對稱緯線的周長彼此相等．

如圖8所示，設(shè)北低緯線、北中緯線、北高緯線的半徑分別為r4，r5，r6，其所在緯度分別為30°，60°，80°，則

r4=r3×cos30°=0.866r3

r5=r3×cos60°=0.5r3

r6=r3× cos80°=0.17r3

1條低緯線框周長2πr4=2π×0.866r3=

1.732πr3；

1條中緯線框周長2πr5=2π×0.5r3=πr3；

1條高緯線框周長2πr6=2π×0.17r3=

0.34πr3.

圖8 大球狀透射鏡注記圖

所以，南北2條低緯線框面積為3.464πr3d，2條中緯線框面積為2πr3d，2條高緯線框面積為0.68πr3d

各緯線框面積和為

∑S緯線=8.144πr3d

(6)

∑S框架=∑S經(jīng)線+∑S緯線=36.144πr3d

(7)

將公式(7)代入(3)，得

A≈ 4πr32-πr22-36.144πr3d

(8)

將公式(2)、(8)代入公式(1)，得

(9)

假設(shè)r0=1 m，r1=0.1 m，r2=1 m，r3=10 m，d=0.03 m．代入上式得

C≈97.3

4 計算吸熱功率和可升溫度極限

4.1 根據(jù)太陽向宇宙輻射能量公式計算

因為太陽每秒向宇宙空間輻射能量為[9]

Qs=4πr2σTs4

(10)

式中，Qs為太陽單位時間輻射能，r為太陽半徑，σ為斯蒂芬-波爾茲曼常量①[注]①斯蒂芬-波爾茲曼常量為5.67×10-8W/(m2·K4)．，Ts為太陽表面的絕對溫度②[注]②太陽表面的絕對溫度約為6 000 K．．

如圖9所示，將地球圍繞太陽旋轉(zhuǎn)的軌跡近似看作圓，太陽每秒投射在地球表面某點上的能量為[9]

(11)

式中，R為地球繞太陽運動的圓半徑，A為某點采光面積．

圖9 太陽輻射地球表面某點示意圖

設(shè)吸熱器的太陽能吸收率為η1，透鏡和玻璃板的透過系數(shù)為η2．由于太陽光輻射到地球時，會受到地球大氣層的吸收和散射影響，使得透過大氣層的太陽能受到衰減[10]．設(shè)大氣透過率為η3③[注]③地球大氣層是一個復(fù)雜系統(tǒng)，大氣透過率是由大氣分子和懸浮氣溶膠顆粒的吸收和散射造成的，通常夏季高、冬季低，晴天高，雨霧天低．設(shè)想裝置在較為晴朗的天氣下工作，可設(shè)大氣透過率為0.85．．則吸熱器每秒吸收的太陽能為

(12)

式中θ為地球表面某點距太陽兩極的張角，約為32′[9]．

吸熱器吸收能量后，也象太陽一樣存在著輻射熱損．設(shè)其熱發(fā)射率為ε，其輻射熱損為[9]

Qa=εaσTa4

(13)

式中，a為吸熱器面積，Ta為吸熱器表面的絕對溫度．假設(shè)從吸熱器引出的有用收益、吸熱器的對流傳導熱損與吸熱器吸收太陽能Qs→a之比值為η4，則有[9]

(1-η4)Qs→a=Qa

(14)

將式(12)、(13)代入(14)，得

(15)

(16)

可見，吸熱器的吸收率η1越高，透鏡和玻璃板的透過系數(shù)η2越高，陽光穿越大氣層的大氣透過率η3越高，吸熱器的有用收益加對流傳導熱損之和與吸熱器吸收太陽能之比η4越小，吸熱器的熱發(fā)射率ε越小，聚光比C越大，吸熱器可升溫度極限就越高．反之，吸熱器可升溫度極限就越低．

對于本吸熱裝置，假設(shè)η1=0.9，η2=0.9，η3=0.85，η4=0.5，ε=0.5，r0=1 m，r1=0.1 m，r2=1 m，r3=10 m，d=0.03 m．則吸熱器可升溫度極限為Ta=1 171 K.

由式(8)和(12)，可得本裝置吸熱功率為

Qs→a=η1η2η3(4πr32-πr22- 36.144πr3d)·

(17)

將上述預(yù)設(shè)參數(shù)代入，得

Qs→a=1.336×106J/s

(18)

4.2 根據(jù)太陽輻射地球常數(shù)計算

因為太陽1 s內(nèi)垂直照射在地球表面1 m2上的能量為1353 J[11]，所以

Qs→a=η1η2AQ太陽輻射常量=1353η1η2AJ/s

(19)

將式(8)、η1=0.9和η2=0.9代入式(19)，得

Qs→a=1.336×106J/s

(20)

將式(18)與(20)進行比較，兩種方法算出結(jié)果一樣．

4.3 計算聚能密度

根據(jù)式(17)或(19)，可得裝置單位時間內(nèi)吸收的太陽能，用它除以小球形太陽能吸熱器的容積，可得吸熱器單位時間內(nèi)的聚能密度ρs→a.

(26)

或者

(27)

將上述預(yù)設(shè)參數(shù)代入式(26)，得

ρs→a=3.19×105J/(s·m3)

(28)

將上述預(yù)設(shè)參數(shù)代入式(27)，得

ρs→a=3.19×105J/(s·m3)

(29)

將式(28)與(29)進行比較，兩種方法算出結(jié)果一樣.

5 初步結(jié)論

本裝置作為一個整體結(jié)構(gòu)，可以機動設(shè)置，與槽式、塔式、碟式集熱器相比，裝置體積、占地面積和熱損耗較小，聚能密度、吸熱功率和工質(zhì)升溫極限較高，建設(shè)成本較低．如果適當降低小球形吸熱器半徑，增大大球狀透射鏡半徑，將顯著地提高裝置的聚光比、吸熱功率和工質(zhì)升溫極限．儲熱器儲存的高溫流體，既可用于白天，也可用于夜晚．如果采用過濾凈化后的普通水(甚至海水、被污染的水)作工質(zhì)，輸入吸熱器，吸收太陽能后變?yōu)楦邷馗邏核魵猓龉禍睾笞優(yōu)榧儍粢簯B(tài)水，附帶自動凈水功能．本裝置具有儲熱功能，不僅可用于日照充足的地區(qū)，還可用于日照較差的地區(qū)；不僅可用于地面，還可用于太空和外星球，且在宇宙空間隨著陽光輻射增強、其吸熱功率和工質(zhì)溫度也將更高．

參考文獻

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2 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)基本類型,中國能源網(wǎng).http://www.china5e.com/show.php?contentid=45210

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5 李大慶.我國首座太陽能熱發(fā)電站穩(wěn)定運行，中國科技網(wǎng)訊，科技日報，2012.12.14

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7 菲涅爾透鏡在太陽能聚光光伏系統(tǒng)(CPV)中的應(yīng)用.http://blog.china.alibaba.com/article/i12191995.html. 2010.04.13

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9 新石.聚光裝置的極限聚光比和極限溫度.太陽能,1981(04)

10 郝允祥.張保洲.鄭曉東.梅漫.天頂亮度與大氣透過率關(guān)系的觀測，太陽能學報，1991,12(2):4

11 太陽輻射-太陽常數(shù).百科名片.http://baike.baidu.com/view/287541.htm