常澤輝，杭小蓉，劉 靜，王曉飛，鄭宏飛

太陽能裝配式蒙古包供能用多曲面聚光器性能

常澤輝1,2，杭小蓉1，劉 靜1，王曉飛1，鄭宏飛3

（1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)太陽能應(yīng)用技術(shù)工程中心，呼和浩特 010051；3. 北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院，北京 100081）

嚴(yán)寒寒冷地區(qū)裝配式蒙古包冬季供能多采用生物質(zhì)燃燒、電加熱等方式，無法滿足分布式綠色低碳可持續(xù)供能的要求。為解決上述問題，該研究提出一種用于裝配式蒙古包的新型太陽能多曲面聚光集熱供能技術(shù)，其具有太陽輻射“接力”供能、熱輸運阻力小、集熱裝置與蒙古包圍護合而為一、正浮力梯度傳熱等特點，介紹了技術(shù)運行原理及所用多曲面聚光器結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用光學(xué)仿真軟件TracePro對聚光器光學(xué)性能隨時間的變化規(guī)律進行了分析，對比研究了實際天氣條件下正浮力梯度傳熱與負浮力梯度傳熱對聚光器內(nèi)空氣進出口溫度、集熱量等熱性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)徑向入射偏角為15°時，聚光器光線接收率約為89.50%，當(dāng)軸向入射偏角為30°時，聚光器光線接收率為83.47%，相鄰不同朝向聚光器在10:30和13:30左右聚光效率復(fù)合；在冬季晴天，采用正浮力梯度傳熱方式的聚光器最大出口溫度與最大集熱量分別為21.3 ℃和787.29 W，分別比采用負浮力梯度傳熱方式的聚光器提升了9.3 ℃和59.30%。此外，聚光器采用正浮力梯度傳熱與負浮力梯度傳熱時的光熱轉(zhuǎn)化效率分別為46.81%和35.71%，研究結(jié)果可以為裝配式蒙古包供能用聚光器集成提供參考。

太陽能；聚光器；裝配式；蒙古包；供能；正浮力梯度傳熱

0 引 言

蒙古包因游牧生活的開展而出現(xiàn)，其發(fā)展過程，也是游牧民族思考如何讓草原民居更好地適應(yīng)游牧生活的過程[1]。由于其便于建造、可就地取材、搬遷運輸方便，且能夠在草原瞬息萬變的氣候中以動應(yīng)變，主動順應(yīng)氣候變化，故成為與草原生活方式相適應(yīng)的民居類型[2]。蒙古包由套腦（天窗）、烏尼桿（屋頂椽子）、哈那（圍壁）和門等結(jié)合而成，其選材及建造近乎零碳[3]。裝配式的建筑方法又可使蒙古包成為可移動的建筑，更適合現(xiàn)代草原人居環(huán)境[4]。

嚴(yán)寒寒冷地區(qū)的蒙古包冬季采暖多采用燃燒生物質(zhì)或電加熱方式，但由此會帶來碳排放大、對基礎(chǔ)設(shè)施要求高、供熱均勻度差等問題。為此，研究學(xué)者對蒙古包建筑結(jié)構(gòu)、熱負荷、熱濕環(huán)境、蒙古包換熱方式等方面展開了研究和分析[5-10]。

Liu等[11]針對蒙古包哈那用毛氈分層結(jié)構(gòu)，建立了數(shù)學(xué)模型，對毛氈厚度等進行優(yōu)化，利用迭代法精確求解所列非線性微分方程，為類似蒙古包的宇航服設(shè)計提供了參考。Xu等[12]試驗研究了影響蒙古包內(nèi)溫濕度的因素，甄別出影響蒙古包內(nèi)溫度不均勻性的關(guān)鍵建筑構(gòu)件，分析出蒙古包內(nèi)濕度變化的調(diào)節(jié)要素，結(jié)果表明，蒙古包內(nèi)溫度晝夜波動較大，最大可以達到15 ℃。蒙古包哈那用毛氈熱惰性是影響室內(nèi)外溫差的主要因素，且室內(nèi)中心放置熱源，也會形成圍護溫度高而中心溫度低的溫度場。哈那表面溫度受太陽輻照度影響較大，但整體哈那內(nèi)表面溫度波動較小，小于4 ℃。牛建剛等[13]利用熱成像儀對內(nèi)蒙古部分地區(qū)蒙古包室內(nèi)熱環(huán)境展開研究，借助流體動力學(xué)軟件模擬分析構(gòu)造形式對熱環(huán)境的影響，在此基礎(chǔ)上，對蒙古包的改良提出了建設(shè)性意見。

鑒于蒙古包使用地域的有限性，對其結(jié)構(gòu)及供能技術(shù)開展研究的文獻較少，但小型節(jié)能建筑的冬季供能技術(shù)也可以提供有益的借鑒[14-18]。袁豐等[19]在符合農(nóng)村節(jié)能居住建筑設(shè)計要求的小戶型農(nóng)宅上搭建清潔供熱試驗平臺，研究復(fù)合供熱系統(tǒng)集成關(guān)鍵設(shè)備的供熱性能，結(jié)果表明，空氣源熱泵與太陽能集熱器集成系統(tǒng)的一次能源消耗量優(yōu)于空氣源熱泵與冷凝式燃氣熱水爐集成系統(tǒng)。劉仙萍等[20]在夏熱冬冷地區(qū)搭建太陽能光伏/光熱-地源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)，分析PV/T組件面積、地埋管間距等設(shè)計參數(shù)對系統(tǒng)運行的影響，結(jié)果顯示，系統(tǒng)具有良好的運行性能，可以有效保障土壤熱平衡，熱泵機組能效比較傳統(tǒng)系統(tǒng)提高43.8%，當(dāng)PV/T組件滿屋頂布置時，太陽能保證率接近100%。張長興等[21]建立了太陽能PV/T集熱器耦合土壤源熱泵復(fù)合系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，在模擬研究系統(tǒng)運行特性的基礎(chǔ)上，與對應(yīng)的光伏系統(tǒng)、土壤源熱泵系統(tǒng)的性能進行了對比分析，結(jié)果表明，在相同的建筑負荷下，該系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)的性能系數(shù)平均值較土壤源熱泵系統(tǒng)提高了32.23%。

馬坤茹等[22]提出了可同時吸收太陽能和空氣能的新型太陽能/空氣能直膨式熱泵機組，并與農(nóng)村建筑地板輻射采暖系統(tǒng)集成，通過對比空氣源熱泵系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)，新系統(tǒng)制熱量比空氣源熱泵系統(tǒng)提高大約70%，基本滿足建筑采暖需求。邱國棟等[23]從太陽能與空氣源熱泵結(jié)合的多種方式角度，對二者集成系統(tǒng)研究進展進行了梳理，指出太陽能可以緩解空氣源熱泵的結(jié)霜問題，空氣源熱泵可以彌補太陽能供能的不連續(xù)性，二者的高效集成可以提高供熱系統(tǒng)的可靠性和節(jié)能性。

為了減少太陽能集熱場建設(shè)占地面積，優(yōu)選太陽能聚光集熱裝置[24]，復(fù)合多曲面聚光集熱裝置以其對跟蹤精度要求小、可與建筑圍護集成、集熱溫度與供熱溫度高效匹配等特點而受到了研究人員的特別關(guān)注[25-31]。但傳統(tǒng)太陽能聚光集熱系統(tǒng)多由太陽能集熱單元、換熱單元和供熱單元組成，存在傳熱管路長、散熱損失大、供熱效率低等問題，加之需要獨立土地建設(shè)太陽能集熱場，難以與裝配式蒙古包集成，對蒙古包獨有建筑結(jié)構(gòu)易造成破壞。

為了將太陽能聚光集熱系統(tǒng)與裝配式蒙古包高效集成，縮短熱能輸運距離，減小傳熱阻力，提高太陽能利用效率，本文提出了基于聚光集熱裝配式蒙古包供能系統(tǒng)，同時利用光學(xué)仿真軟件TracePro對供能系統(tǒng)用槽式多曲面聚光器的光學(xué)特性展開分析計算，在此基礎(chǔ)上，搭建了槽式多曲面聚光器熱性能測試試驗系統(tǒng)，對比分析了正浮力梯度傳熱和負浮力梯度傳熱方式對聚光器集熱量、光熱轉(zhuǎn)化效率等熱性能參數(shù)的影響。

1 基于聚光集熱裝配式蒙古包供能系統(tǒng)

基于聚光集熱供能系統(tǒng)能否在裝配式蒙古包上應(yīng)用主要取決于集熱系統(tǒng)與蒙古包建筑結(jié)構(gòu)的集成度，應(yīng)避免傳統(tǒng)太陽能集熱系統(tǒng)與裝配式蒙古包空間割裂，同時還需要考慮傳熱介質(zhì)循環(huán)泵功、抗凍防漏、拆裝難易、熱輸運距離、傳熱阻力、散熱損失、投資成本等諸多因素。為此，本文設(shè)計了新型基于聚光集熱裝配式蒙古包供能系統(tǒng)，其方位坐標(biāo)如圖1所示，聚光集熱系統(tǒng)未嵌入裝配式蒙古包哈那的實物如圖2所示。

基于聚光集熱裝配式蒙古包供能系統(tǒng)運行原理為：將多個槽式多曲面聚光器豎直并排連接形成“墻體”，分別代替裝配式蒙古包哈那、哈那和哈那，聚光器焦斑位置放置內(nèi)嵌接收體單層玻璃管，換熱介質(zhì)選用空氣。供能期間，3組哈那所用聚光器產(chǎn)生的熱空氣由風(fēng)機驅(qū)動經(jīng)管路進入蒙古包內(nèi)加熱水箱底部并與其內(nèi)水體換熱，換熱后低溫空氣繼續(xù)進入聚光器內(nèi)與入射太陽輻射換熱升溫，不斷將太陽能輸運到加熱水箱水體中，便于對蒙古包供熱；非供能期間，氈布簾可以覆蓋多曲面聚光器玻璃蓋板，保護接收體，防止接收體過熱受損，保持蒙古包外觀特色。

1.透明套腦；2.烏尼；3.氈布簾；4.側(cè)板；5.槽式多曲面聚光器；6.內(nèi)嵌接收體單層玻璃管；7.玻璃蓋板；8.門；9.哈那；10.底座。

1.Transparent skylight; 2.Uni; 3.Felt coverings; 4.Side plate; 5.Trough multi-surface concentrator; 6.Single-layer glass tube with embedded receiver; 7.Glass cover; 8.Door; 9.Enclosure bulkhead; 10.Bedplate

注：.正南哈那；.南偏東45°哈那；.南偏西45°哈那。

Note:.South enclosure bulkhead;.South by east 45° enclosure bulkhead;.South by west 45° enclosure bulkhead.

圖1 基于聚光集熱裝配式蒙古包供能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Fig.1 Energy-suppling assembly yurt system structure based on concentrated heating

圖2 基于聚光集熱裝配式蒙古包供能系統(tǒng)

與傳統(tǒng)蒙古包太陽能供能系統(tǒng)對比，基于聚光集熱裝配式蒙古包供能系統(tǒng)具有如下特點：1）太陽能聚光集熱系統(tǒng)代替部分蒙古包哈那，無需占用土地建設(shè)集熱場，實現(xiàn)了供能系統(tǒng)與建筑圍護的高效集成，且傳熱管路均布置于建筑內(nèi)部，熱能利用效率高；2）通過在裝配式蒙古包朝陽3個哈那布置太陽能聚光集熱系統(tǒng)，在非追日條件下，利用建筑圍護特點，實現(xiàn)了全天太陽能集熱系統(tǒng)的“接力”供能和梯級利用；3）所設(shè)計多曲面聚光器接收半角大，可固定放置集熱，利用集熱過程中“溫室效應(yīng)”，將玻璃真空管更換為內(nèi)嵌接收體單層玻璃管，避免了間隙漏光，降低了投資成本，氈布簾的增設(shè)，保護了接收體，防止過熱受損。

2 多曲面聚光器光學(xué)性能仿真計算

裝配式蒙古包供能用槽式多曲面聚光器除了進行集熱供能，還需要代替部分哈那支撐烏尼及套腦，為此，所設(shè)計的聚光器需要豎直放置，接收體與地面垂直，其光學(xué)特性尚未明晰，需要進一步研究獲得。

2.1 多曲面聚光器原理及結(jié)構(gòu)

多曲面聚光器由直線AB、拋物線BC、漸開線CD順次連接并經(jīng)鏡像對稱、軸向拉伸而成，內(nèi)表面均為反光材料，可以對入射光線進行反射傳輸，內(nèi)嵌“米”型接收體單層玻璃管置于聚光器焦斑位置處，接收體表面為可選性吸收涂層，入光口AGHI敷設(shè)超白玻璃蓋板，與反射面和上下側(cè)板形成封閉腔體，結(jié)構(gòu)及尺寸如圖3所示。其運行原理為，正入射太陽光經(jīng)玻璃蓋板進入聚光器腔體后分為兩部分，一部分直接傳輸?shù)絾螌硬ＡЧ鼙砻妫?jīng)透射后被“米”型接收體翅片接收；其余部分經(jīng)ABCDEFG面反射后匯聚于單層玻璃管內(nèi)“米”型接收體翅片表面，當(dāng)玻璃管內(nèi)空氣定向流動后，就可以將“米”型接收體吸收的輻射能以熱空氣形式對外輸出，實現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)化和熱能供給。

圖3 多曲面聚光器結(jié)構(gòu)及“米”型接收體

多曲面聚光器反射面組成曲線BC、CD函數(shù)方程依次為：

式中為參數(shù)方程自變量，∈（0, 1.59）。

2.2 多曲面聚光器光熱性能參數(shù)

由圖3可以得到，正入射太陽光經(jīng)聚光器匯聚后均投射到接收體表面，在實際應(yīng)用中，聚光器非追日集熱，斜入射太陽光經(jīng)聚光器反射后的傳輸性能需要探究，尤其對布置在3個哈那的聚光器“接力”供能性能的影響。為了表征聚光器內(nèi)嵌“米”型接收體單層玻璃管對入射太陽光的接收能力，采用光線接收率和聚光效率進行標(biāo)定。其值越大，表明在相同入射太陽輻射情況下，聚光器接收能力越強，且其波動越小，說明對入射偏角變化越不敏感，計算式如下：

式中1為光線接收率，%；2為聚光效率，%；n(α,β)為當(dāng)太陽光徑向入射偏角為和軸向入射偏角為時，接收體表面接收到總光線數(shù)量；(0,0)為當(dāng)光線正入射時，接收體表面接收到總光線數(shù)量；(α,β)為當(dāng)太陽光徑向入射偏角為和軸向入射偏角為時，接收體表面接收到總能量，W/m2；(0,0)為當(dāng)光線正入射時，接收體表面接收到總能量，W/m2。

鑒于多曲面聚光器是裝配式蒙古包供能系統(tǒng)的核心部件，集熱能力是考核聚光器光熱轉(zhuǎn)化性能的指標(biāo)，本文采用集熱量和光熱轉(zhuǎn)化效率進行標(biāo)定，具體計算如下式：

式中為多曲面聚光器運行時的集熱量，W；為單層玻璃管內(nèi)換熱空氣質(zhì)量流量，kg/s；p為對應(yīng)運行溫度時的換熱空氣比熱容，J/(kg·K)；in、out為分別為單層玻璃管進、出口空氣溫度，K；為聚光器運行時的光熱轉(zhuǎn)化效率，%；sun為聚光器入光口接收的太陽輻照度，W/m2；c為聚光器入光口面積，m2；1、2分別為聚光器運行時間段的開始時刻和結(jié)束時刻。

2.3 多曲面聚光器光學(xué)性能仿真與分析

布置在裝配式蒙古包3個哈那的槽式多曲面聚光器在集熱過程中，集熱量主要受到太陽入射偏角變化影響。為了便于分析，可將入射偏角分解為徑向和軸向入射偏角，用表示徑向入射偏角，對應(yīng)實際應(yīng)用中的太陽方位角，表示軸向入射偏角，對應(yīng)實際應(yīng)用中的太陽高度角，綜合考量3組聚光器“接力”供能集熱時間的銜接關(guān)系，經(jīng)計算得到哈那、哈那和哈那的聚光器在有效集熱時間內(nèi)的徑向與軸向入射偏角變化范圍分別為?15.1°～15.1°和24.5°～26.0°、3.1°～29.9°和13.6°～24.5°、3.1°～29.9°和13.6°～24.5°。考慮到徑向入射偏角隨時間的變化具有對稱性，因此，仿真計算中徑向入射偏角變化范圍設(shè)定為0～15°，軸向入射偏角變化范圍設(shè)定為0～30°。利用光學(xué)仿真軟件TracePro對入射光線進行追跡，對光線接收率及聚光效率進行計算。聚光器內(nèi)光線隨徑向入射偏角變化如圖4所示。

圖4 不同徑向入射偏角（α）光線追跡圖

從圖4可以得到，隨著徑向入射偏角的增大，“米”型接收體翅片表面接收到焦斑集中區(qū)呈順時針旋轉(zhuǎn)變化，入射及反射光線絕大部分均被接收體接收，逸出光線較少。為了定量分析徑向入射偏角對聚光器光線接收率1及聚光效率2的影響，繪制變化曲線，如圖5所示。

圖5 光線接收率和聚光效率隨徑向入射偏角變化

從圖5可以看出，隨徑向入射偏角增大，聚光器光線接收率和聚光效率變化幅度較小，當(dāng)光線正入射時，光線接收率和聚光效率分別為95.00%和76.96%，當(dāng)=15°時，二者分別降低為89.50%和72.14%。

結(jié)合供能系統(tǒng)使用地冬至日正午時分太陽高度角變化規(guī)律及多曲面聚光器布置方位，多曲面聚光器內(nèi)光線傳輸隨軸向入射偏角變化如圖6所示。

圖6 不同軸向入射偏角β光線追跡圖

圖6光線追跡圖顯示，隨著軸向入射偏角的增加，即太陽高度角的增大，多曲面聚光器接收體有效集熱高度逐漸減小，究其原因，主要是由于聚光器上下側(cè)板非透明，會對軸向入射太陽光遮擋，后續(xù)通過聚光器優(yōu)化設(shè)計及選材，可以減小軸向入射偏角變化對聚光器性能的影響。在軸向入射偏角為0～30°的變化范圍內(nèi)，聚光器光線接收率和聚光效率變化曲線如圖7所示。

從圖7中可以看出，聚光器光線接收率和聚光效率均隨軸向入射偏角的增大而線性減小，當(dāng)軸向入射偏角=30°時，聚光器光線接收率和聚光效率分別為83.47%和67.99%，比正入射時減小了12.14%和11.64%。

圖7 光線接收率和聚光效率隨軸向入射偏角變化

在實際應(yīng)用中，裝配式蒙古包供能系統(tǒng)依次啟動南偏東聚光器、正南聚光器、南偏西聚光器，利用建筑朝陽結(jié)構(gòu)保證每一時刻均有一組聚光器高效集熱供能，實現(xiàn)3組聚光器“接力”階梯供能。3組聚光器聚光效率隨運行時間變化如圖8所示。

圖8 3組聚光器聚光效率隨時間變化曲線

由圖8可以得到，在08:00－16:00運行時間內(nèi)，南偏東、正南、南偏西方向聚光器依次達到最大聚光效率，分別為73.89%、69.43%、73.89%，其原因在于，當(dāng)正午時分，雖然太陽輻照度值最大，但是太陽高度角也是最大的，軸向入射偏角也是最大的，導(dǎo)致正午時分正南聚光器聚光效率小于南偏東和南偏西聚光器的最大聚光效率。且在10:30和13:30時，3組聚光器的聚光效率曲線復(fù)合，各組聚光器可以在復(fù)合時間節(jié)點切換啟停，實現(xiàn)供能的穩(wěn)定“接力”。

3 多曲面聚光器光熱性能測試

3.1 光熱性能測試系統(tǒng)

基于前述光學(xué)仿真分析，在裝配式蒙古包朝陽的3個哈那布置并排槽式多曲面聚光器，通過切換各哈那聚光集熱系統(tǒng)的“接力”啟停，可以滿足供能系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運行。加之系統(tǒng)在實際集熱供能中采用空氣作為傳熱介質(zhì)，在集熱過程中，聚光器接收體內(nèi)空氣的熱運輸方式可以采用正浮力梯度傳熱，或負浮力梯度傳熱但選擇不同的傳熱方式會直接影響系統(tǒng)的高效供能能力，為此，結(jié)合聚光器光學(xué)特性隨入射偏角變化規(guī)律，在實際天氣條件下，測試分析了正浮力梯度傳熱和負浮力梯度傳熱方式對槽式多曲面聚光器光熱性能的影響。

測試用槽式多曲面聚光器尺寸與光學(xué)仿真模型一致。腔體由玻璃鋼材料熱壓成型，反射面敷設(shè)光學(xué)鋁板，反射率為88%，入光口敷設(shè)超白玻璃，透過率為100%，“米”形接收體為噴涂光吸收材料的不銹鋼肋片焊接而成，并豎直懸在單層玻璃管內(nèi)，肋片高度為0.058 m。

光熱性能測試系統(tǒng)如圖9所示，測試地點為內(nèi)蒙古呼和浩特市（N40°50?，E111°42?）校企太陽能光熱產(chǎn)業(yè)示范基地，No.1聚光器玻璃管內(nèi)空氣由上向下傳輸，屬于負浮力梯度傳方式，No.2聚光器玻璃管內(nèi)空氣由下向上傳輸，屬于正浮力梯度傳熱方式，空氣流速約為3.0 m/s，正南放置測試。

測試中，No.1聚光器和No.2聚光器運行工況完全一致，測試太陽輻照度、環(huán)境溫度、聚光器內(nèi)玻璃管進出口空氣溫度、空氣流速、接收體表面能流密度等數(shù)據(jù)。為了精確獲得進出口空氣溫度，在“米”型接收體分隔玻璃管口6個空腔布置K型熱電偶（測試精度為±0.5 ℃），取其平均值作為測試值，測試值由多路數(shù)據(jù)記錄儀儀（Sin-R6000C，杭州聯(lián)測自動化技術(shù)有限公司，杭州）采集，太陽輻照度及環(huán)境風(fēng)速由手持太陽氣象工作站（YGSC-1，錦州陽光氣象科技有限公司，錦州）測量記錄，空氣流速及溫度值由熱線式風(fēng)速計（testo 405i，測量誤差為0.7%），接收體能流密度由熱流儀（HFM- 201，日本京都電子公司，日本）采集校核。

1.多曲面聚光器；2. K型熱電偶；3. 閥門；4. 風(fēng)機；5. 調(diào)壓器；6. 熱線式風(fēng)速計；7.多路數(shù)據(jù)記錄儀；8. 計算機；9. 手持太陽氣象工作站

3.2 測試結(jié)果及分析

測試時間為2021年12月13日，晴天，空氣質(zhì)量良好，微風(fēng)，太陽輻照度及環(huán)境溫度如圖10所示，No.1聚光器和No.2聚光器出口溫度變化趨勢如圖11所示。

圖10 太陽輻照度及環(huán)境溫度變化曲線

圖11 聚光器出口溫度變化曲線

從圖11可以看出，在額定空氣流速下，采用負浮力梯度傳熱的No.1聚光器和采用正浮力梯度傳熱的No.2聚光器出口溫度均隨集熱時間先增大后減小，在戶外平均環(huán)境溫度為?3.9 ℃條件下，No.2聚光器出口溫度最大值出現(xiàn)在11:30左右，為21.3 ℃，比No.1聚光器的最大出口溫度高9.3 ℃，2組聚光器均未在正午時分出現(xiàn)最大值。這一原因由前述關(guān)于軸向入射偏角對聚光器性能影響的分析可知，隨著運行時間推移，雖然太陽輻照度增加，但是玻璃管內(nèi)“米”型接收體有效接收高度在減小，空氣出口溫度受到入射太陽輻照和接收體有效高度雙重影響。同時，No.1聚光器玻璃管內(nèi)是負浮力梯度傳熱方式，空氣傳輸方向與熱浮力方向相反，受熱浮力作用的空氣對出口溫度影響較大，導(dǎo)致出口溫度小，而No.2聚光器采用正浮力梯度傳熱方式，熱浮力對空氣熱輸運有促進作用，所以出口溫度大，在進行系統(tǒng)集成的時候，可以考慮采用正浮力梯度傳熱方式。測試用兩組多曲面聚光器集熱量隨時間變化曲線，如圖12所示。

由圖12可以看出，在相同氣象條件下，正南放置兩組聚光器集熱量變化趨勢相似，No.1聚光器集熱量最大為494.09W，No.2聚光器集熱量最大為787.29W，較No.1聚光器提升了59.30%。測試時間內(nèi)，No.2聚光器總的集熱量約為5.46 MJ，比No.1聚光器集熱量增加了31.10%，在相同的環(huán)境條件與空氣流速下，聚光器集熱量主要受出口溫度的影響。對比兩組聚光器光熱轉(zhuǎn)化效率，如表1所示。

圖12 2組聚光器集熱量對比

表1 2組聚光器光熱轉(zhuǎn)化效率對比

表1數(shù)據(jù)顯示，在太陽輻照度與聚光面積相同的情況下，No.2聚光器的進出溫差與光熱轉(zhuǎn)化效率均大于No.1聚光器，測試期間，No.2聚光器的進出溫差與光熱轉(zhuǎn)化效率分別為12.7℃和46.81%，分別比No.1聚光器的進出溫差與光熱轉(zhuǎn)化效率高3.1 ℃和31.08 %，表明聚光器在采用正浮力梯度傳熱方式時聚光集熱性能更優(yōu)。

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)蒙古包供能系統(tǒng)冬季運行過程中對燃料需求大、熱舒適度差、難于實現(xiàn)無人值守，為此，本文提出了裝配式蒙古包多曲面聚光供能系統(tǒng)，利用光學(xué)仿真軟件對供能用槽式多曲面聚光器及組合供能系統(tǒng)光學(xué)性能進行了分析，基于此，在冬季晴天條件下，搭建光熱性能測試實驗系統(tǒng)，對比分析了正浮力梯度傳熱方式和負浮力梯度傳熱方式對聚光器出口溫度、集熱量及光熱轉(zhuǎn)化效率的影響。

1）裝配式蒙古包供能用多曲面聚光器對徑向入射偏角變化不敏感，當(dāng)徑向入射偏角增大到15°時，光線接收率和聚光效率分別為89.5%和72.14%；聚光器光學(xué)性能隨軸向入射偏角增大而變差，當(dāng)=30°時，聚光器光線接收率和聚光效率分別比正入射時減小了12.14%和11.64%。

2）裝配式蒙古包南偏東、正南、南偏西3組聚光器隨運行時間推移依次出現(xiàn)聚光效率最大值，且在10:30和13:30分別出現(xiàn)了聚光效率復(fù)合，為3組聚光器啟?？刂圃O(shè)計提供了參考。

3）采用正浮力梯度傳熱方式的多曲面聚光器最大出口溫度比負浮力梯度傳熱方式高約9.3 ℃，總集熱量增加約31.10%。

4）在運行工況相同的條件下，多曲面聚光器采用正浮力梯度傳熱方式時的光熱轉(zhuǎn)化效率為46.81%，比其采用負浮力梯度傳熱時的光熱轉(zhuǎn)化效率高31.08%。

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Performance of multi-surface concentrator applied in solar assembled mongolian yurt for energy supply

Chang Zehui1,2, Hang Xiaorong1, Liu Jing1, Wang Xiaofei1, Zheng Hongfei3

(1.010051,; 2.010051,;3.,100081,)

Assembled yurt has the characteristics of easy construction, convenient relocation and transportation, and can dynamically adapt to the changing climate of the grassland, actively adapt to the climate change, and more suitable for the modern grassland living environment, so it has become a residential type suitable for the grassland lifestyle. But the winter energy suppling of assembled yurts in cold regions mostly adopts biomass combustion and electric heating, which cannot meet the requirements of energy distributed utilization and green low-carbon sustainability. In order to solve the above problems, this paper proposes a novel solar multi-surface concentrated heating technology applied in solar assembled yurt energy suppling. It has several characteristics such as the solar thermal energy ‘relay’ transport, small heat transfer resistance, solar heating collection system integrated with enclosure of yurt and positive buoyancy gradient heat transfer. The technical operation principle and the structural curve of the multi-surface concentrator are introduced. The optical performance of the concentrator with time is analyzed with the optical simulation software TracePro. Under actual weather conditions, the effects of positive buoyancy gradient heat transfer and negative buoyancy gradient heat transfer on the thermal performance of the outlet temperature and heating collection in the concentrator are compared and studied. The results show that with the increase of the radial incidence angle, most of the incident and reflected light is received by the receiver, and less light escapes. When incidence angle is 0, the light receiving rate and concentrating efficiency of the concentrator are 95.00% and 76.96%, respectively. When the radial incidence increases to 15°, the light receiving rate and concentrating efficiency of the concentrator are 89.50% and 72.14%, respectively, and when the axial incidence angle increases to 30°, the light receiving rate and concentrating efficiency of the concentrator are 83.47% and 67.99%, respectively. In addition, the concentrating efficiency of adjacent concentrators with different orientations is superimposed at about 10:30 and 13:30, so these two moments can be used as three groups of concentrators start switching time, achieving energy supply of system stably and continuously. In winter sunny days, the outlet temperature of the concentrator with positive buoyancy gradient heat transfer and negative buoyancy gradient heat transfer has the same variation trend, which increases first and then decreases with the test time. However, due to the combined influence of the axial incidence angle and the heat transfer mode, the time of the concentrator with positive buoyancy gradient heat transfer and negative buoyancy gradient heat transfer to reach the maximum outlet temperature is inconsistent. The maximum outlet temperature and heating collection of the concentrator with positive buoyancy gradient heat transfer is about 21.3 ℃ and 787.29 W, which is 9.3℃ and 59.30% higher than that of the concentrator with positive buoyancy gradient heat transfer, and the total heating collection of the concentrator with positive buoyancy gradient heat transfer is about 5.46 MJ, 31.10% higher than that of the concentrator with negative buoyancy gradient heat transfer. In addition, the photothermal conversion efficiencies of the concentrator with positive buoyancy gradient heat transfer and negative buoyancy gradient heat transfer are 46.81% and 35.71%, respectively. This provides a reference for the matching of assembled yurt and energy supplying concentrator.

solar energy; concentrator; assembled; yurt; energy suppling; positive buoyancy gradient heat transfer

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.21.025

TK519

A

1002-6819(2022)-21-0212-08

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Chang Zehui, Hang Xiaorong, Liu Jing, et al. Performance of multi-surface concentrator applied in solar assembled mongolian yurt for energy supply[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(21): 212-219. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.21.025 http://www.tcsae.org

2022-09-01

2022-10-31

國家自然科學(xué)基金（51966012，51666013）；內(nèi)蒙古自治區(qū)重點研發(fā)和成果轉(zhuǎn)化計劃（2022YFXZ0021）。

常澤輝，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為太陽能光熱利用技術(shù)。Email：changzehui@163.com