集热器设计

线聚焦弗雷内尔集热器通过其反射镜阵列将光线全部反射到吸收其中，并随太阳位置的变化，反射镜阵列同时进行相应运动。

线聚焦弗雷内尔反射式太阳能集热器的反射镜设计有两种不同的方法，反射阵列镜面设计可以按照等宽度设计，也可按照宽度变化的反射镜阵列来进行设计。通过设计宽度、间距变化的反射镜阵列，可有效实现吸收器焦面上能流密度均匀分布，吸收器内载热流体的传热性能将得到大幅度的提升，但同时由于每一列的镜片宽度均不同，给设计和制造带来了较大的困难，造成此种设计方式成本较高。本文选用等宽度反射镜阵列设计方法来进行设计，同时由于工业生产要求，反射镜宽度较大而吸收器的开口宽度一般较小，易发生光斑宽度大于吸收器口径，造成光学效率的损失。根据Jorge Facao的研究，其采用具有微小弧度的柱面镜，具有良好的聚焦效果，本文中反射镜全部选用轻质的室外铝材质，具有非常强的型面可塑性，实现设计要求的镜面的微小弧度在工艺上非常简易方便。所以采用了等宽度的柱面镜设计，在降低工艺要求和加工难度的同时，实现了太阳能的良好聚焦。具体设计流程如下：

镜场分布设计基于如下假设：

（1）跟踪系统精度高，能够根据追日算法精确追踪，不考虑由于控制系统原因带来的误差。

（2）太阳光到达镜面光线认为是直射光线，在反射镜阵列发生镜面反射。 图1给出了典型的线聚焦弗雷内尔经常设计示意图，当太阳光线垂直入射到反射阵列时，在反射镜中发生镜面发射，通过镜面反射，根据几何光学的原理，通过计算角度和距离使其焦点位于吸收器的吸收管中心处，由于吸收器的吸收管中心位置已给定，根据几何光学原理的对称性即可计算出不同位置的反射镜所应具有的镜面倾角了，确定各列反射镜倾角后，需进一步确定各列反射镜之间的间距以防各列反射镜相互之间造成互相遮挡，影响光学效率，令光线经过一列反射镜反射的光线通过相邻反射镜边缘点，此时相邻两反射镜间的间距即为反射镜阵列的临界间距，在集热阵列的实际设计中，间距不得小于此数值，否则将出现光线的相互遮挡。

光学性能分析

弗雷内尔集热器的光学效率是太阳能集热镜场设计中最为重要的物理参数，其受到很多因素的影响，包括弧形反射镜材料的反射性质，腔体吸收器表面涂层的吸收性质，太阳位置的逐时变化会造成光学效率的余弦损失，同时由于太阳高度角较低时，会引起集热器的末端损失，弗雷内尔集热阵列的光学损失在整个过程中的能量损失中占比很大。

1、纯光学效率

集热器的纯光学效率是指不考虑太阳位置引起的余弦损失，由于太阳高度角造成的末端损失，跟踪误差引起的追日偏差的光学效率，其直接反映了镜场反射材料、吸收器表面涂层，聚光性能的优劣。下表为模拟中采用的光学特性参数。

纯光学效率定义为：

η₀=

式中：

Q_u——吸收器吸收的热量；

I_b——太阳直射辐射量；

A_c——反射镜总面积。

2、集热器光学效率

在线性弗雷内尔聚光系统中，为将太阳光反射到固定目标上，反射镜表面不可能与入射光线垂直，会产生一定的角度(θ)。余弦损失就是由于这种倾斜所导致的反射镜表面面积相对于太阳光可见面积的减少而产生的，余弦损失后的剩余能量与入射能量之比为cosθ，余弦损失为1-cosθ。

阴影损失发生在当反射镜的反射面处于相邻一个或多个反射镜的阴影下，而不能接收到太阳辐射能的情况。当太阳入射光线与水平面的夹角越小时，此损失较严重。吸热器或其他物体的遮挡也可能对系统造成一定的阴影损失。考虑阴影损失后的剩余能量占入射能量的百分比称为阴影效率。

当反射镜虽未处于阴影区下，但其反射的太阳辐射能因相邻反射镜背面的遮挡而不能被吸热器接收所造成的损失称为遮挡损失。考虑遮挡损失后的剩余能量占入射能量的百分比称为遮挡效率。

腔体吸收器热性能分析

腔体吸收器的热量损失对于整个弗雷内尔集热阵列的集热效率具有重要的影响，为了分析系统中方形腔体吸收器的热损机理，通过建立二维模型，分析了导热、自然对流、辐射等传热方式的耦合作用，得到腔体吸收器在不同的工作温度下的总热损及热损系数，并对热损的组成部分进行了分析，并分析其随着工作温度变化的变化情况，确定影响热损的主要因素，通过模拟分析得到减小热损的方法和建议。

在方形腔体吸收器的网格模型中，为了简化模型的物理结构，3根不锈钢管管束用3个半圆弧来表征，不锈钢管束被绝热材料包裹良好以最大程度减少热损；为模拟腔体吸收器在大空间的实际发生自然对流作用下的热损工况，利用正方形大空间表征腔体吸收器所处大空间，大空间边长为1.5m，大空间中空气处于自然对流状态，且空气可自由流动。