戴靜， 鄭宏飛， 馮朝卿，3

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081；2.中海陽(yáng)能源集團(tuán)股份有限公司，北京 102200；3.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古，呼和浩特 010051 )

?

三運(yùn)動(dòng)復(fù)合線(xiàn)性菲涅耳反射式太陽(yáng)聚光系統(tǒng)的性能研究

戴靜1，2， 鄭宏飛1， 馮朝卿1，3

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081；2.中海陽(yáng)能源集團(tuán)股份有限公司，北京 102200；3.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古，呼和浩特 010051 )

為改善線(xiàn)性菲涅耳反射式聚光系統(tǒng)的余弦損失對(duì)系統(tǒng)聚光效率的影響，提出了一種運(yùn)動(dòng)式線(xiàn)性菲涅耳反射聚光系統(tǒng)，該聚光系統(tǒng)依靠鏡場(chǎng)與太陽(yáng)保持反向運(yùn)動(dòng)來(lái)減小余弦損失. 通過(guò)在廣西柳州(北緯24°03′)搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架對(duì)系統(tǒng)的可行性和效率增加進(jìn)行了驗(yàn)證. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該新型系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)光的聚光效率比固定式菲涅耳系統(tǒng)提高9%左右，與理論計(jì)算值相當(dāng). 文中亦利用光學(xué)仿真分析對(duì)系統(tǒng)布置的優(yōu)化進(jìn)行了探討. 分析結(jié)果表明在現(xiàn)有系統(tǒng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，適當(dāng)降低接收器高度可進(jìn)一步減小余弦損失；在二次聚光器接收允許的范圍內(nèi)適當(dāng)增大鏡元間距還可減小鏡場(chǎng)遮擋損失，繼續(xù)提高系統(tǒng)聚光集熱效率.

線(xiàn)性菲涅耳聚光系統(tǒng)；余弦損失；二次聚光器；光學(xué)仿真分析

線(xiàn)性菲涅耳反射式聚光系統(tǒng)最早是1961年由Giorgio Francia提出，由于其在效率上相較集中式太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)而言并無(wú)顯著優(yōu)勢(shì)，所以在早年并未引起研究人員的廣泛關(guān)注. 隨著能源日益緊張和太陽(yáng)能商業(yè)化程度的逐漸提高，太陽(yáng)能系統(tǒng)按使用壽命折算得到的單位供電成本取代了最大效率成為這種技術(shù)是否有推廣前景的關(guān)鍵因素[1]，此時(shí)線(xiàn)性菲涅耳反射式聚光系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)便得以凸顯出來(lái)，成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn). Mills等[2-3]提出了適合大規(guī)模太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)的緊湊型線(xiàn)聚光菲涅耳反射器多接收塔技術(shù). Singh等[4]就應(yīng)用于大型鏡場(chǎng)的梯形腔體接收器做了許多研究.

線(xiàn)性菲涅耳反射式聚光系統(tǒng)的反射鏡元因各自在鏡場(chǎng)中不同的位置而需與入射光形成不同的夾角，這個(gè)夾角的存在使得有效鏡面面積減小從而導(dǎo)致了余弦損失. 線(xiàn)性菲涅耳系統(tǒng)的能損包括余弦損失、反射鏡光學(xué)損失、接收器的端部損失、熱損等，減小接收器的熱損和鏡面的光學(xué)損失的方法在研究中被大量討論，浦紹選等[5]則給出了南北布置的菲涅耳反射鏡場(chǎng)端部損失的計(jì)算公式和補(bǔ)償方法. 而減小余弦損失的方法卻很少被提及，文中給出了一種可以有效減小余弦損失的新型線(xiàn)性菲涅耳反射聚光系統(tǒng).

1 三運(yùn)動(dòng)復(fù)合式的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

典型的線(xiàn)性菲涅耳反射式聚光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和聚光原理如圖1所示. 初級(jí)反射鏡場(chǎng)由數(shù)面單軸跟蹤的長(zhǎng)條形平面鏡組成，將太陽(yáng)光反射至固定在鏡場(chǎng)頂部的線(xiàn)性接收器. 接收器一般由真空集熱管和二次聚光器構(gòu)成. 鏡場(chǎng)常南北向放置，平面鏡可繞其中心軸旋轉(zhuǎn)以跟蹤太陽(yáng). 接收器接收反射自鏡場(chǎng)的太陽(yáng)光發(fā)出的熱量，通過(guò)內(nèi)部的循環(huán)工質(zhì)將能量傳遞至用戶(hù).

余弦損失是菲涅耳反射系統(tǒng)中固有的幾何損失，反射鏡場(chǎng)里的平面鏡在接收和反射太陽(yáng)光時(shí)都存在不同程度的余弦損失. 選取圖1中鏡場(chǎng)最左端的鏡a及最右端的鏡b兩塊平面鏡的余弦損失情況進(jìn)行比較說(shuō)明：具有相同長(zhǎng)度的平面鏡由于與入射光保持不同的傾角而接收到不同寬度的光束，a能有效接收到更多的太陽(yáng)光. 若將鏡b移至鏡a的位置則能提高其本身的接收效率，而將鏡場(chǎng)內(nèi)的所有鏡元進(jìn)行整體平移的話(huà)，則能減小每一塊平面鏡的余弦損失，進(jìn)而提高整個(gè)系統(tǒng)的接收效率. 本設(shè)計(jì)基于這一特點(diǎn)，將整個(gè)鏡場(chǎng)在早晨置于接收器的西邊，下午移動(dòng)至接收器的東邊，最大限度地減少鏡場(chǎng)的余弦損失.

在鏡場(chǎng)整體平移的同時(shí)，每個(gè)鏡元仍要將繞其中心軸實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)以保證對(duì)入射光線(xiàn)的準(zhǔn)確接收和反射，二次聚光器受其最大接收角度的限制也需跟蹤鏡場(chǎng)的平移進(jìn)行旋轉(zhuǎn)這樣3種運(yùn)動(dòng)方式結(jié)合，形成了文中設(shè)計(jì)的三運(yùn)動(dòng)復(fù)合線(xiàn)性菲涅耳反射式太陽(yáng)能聚光系統(tǒng).

1.1 系統(tǒng)參數(shù)的理論設(shè)定

在設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)的過(guò)程中，為簡(jiǎn)化做出以下假設(shè).

① 每面平面鏡均能在跟蹤裝置和驅(qū)動(dòng)裝置的控制下繞其中心軸實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地跟蹤太陽(yáng)；

② 反射鏡面是理想的光學(xué)鏡面；

③ 太陽(yáng)入射到鏡場(chǎng)的光線(xiàn)都是直射光.

將第一塊平面鏡(也即n=1)置于在正午太陽(yáng)直射時(shí)恰不被接收器的陰影遮擋的位置，之后的每一塊平面鏡與前一塊之間的間距為Gn，以使得遮陰和阻擋損失盡可能小，且每一塊平面鏡的寬度相等均為w，如圖2所示. 通過(guò)幾何關(guān)系可以計(jì)算得到以下表達(dá)式[6-8]：

(1)

(2)

(3)

式中：ξ0=0.27°，表示太陽(yáng)的發(fā)散角. 將θ0=0，G1=0，d0=-w/2，d1=w/2作為初始條件，n從1至N變化，方程組通過(guò)反復(fù)迭代求解.

(4)

根據(jù)圖2所示鏡場(chǎng)各參數(shù)的幾何關(guān)系可得：鏡元的有效鏡寬可由鏡寬與鏡元入射角在投影平面的投影角的余弦的乘積求取，即

(5)

式中：當(dāng)鏡元與太陽(yáng)分別位于接收器的兩側(cè)時(shí)，βn取正值，反之則取負(fù)值.

那么，對(duì)于t時(shí)刻鏡場(chǎng)中的鏡元i而言，在采用三運(yùn)動(dòng)復(fù)合方式前后的有效鏡寬的增量為

(6)

式中：v為鏡場(chǎng)移動(dòng)的速度；dn0′為鏡元在未采用三運(yùn)動(dòng)復(fù)合方式前在鏡場(chǎng)中距接收器塔基的距離.

因此，以接收器高度為4.5 m、滑軌長(zhǎng)為12 m，鏡組總寬為5 m的鏡場(chǎng)為例，當(dāng)t=0，也即運(yùn)動(dòng)的初始時(shí)刻，對(duì)于鏡場(chǎng)中最左端的鏡a和最右端的鏡b，由式(6)計(jì)算得到，三運(yùn)動(dòng)復(fù)合方式為其帶來(lái)的理論有效鏡寬增量：鏡a為11.9%，鏡b為13.4%. 其余鏡元的有效鏡寬增量以等差數(shù)列分布于鏡a與鏡b值之間. 對(duì)于整個(gè)鏡場(chǎng)而言，總的場(chǎng)寬越大，三運(yùn)動(dòng)復(fù)合方式為其帶來(lái)的總有效鏡寬增量也就越大.

由式(6)也可以計(jì)算得到，通過(guò)三運(yùn)動(dòng)復(fù)合方式，鏡元i在一天中接收到的總能量為

(7)

對(duì)理想晴天，得到太陽(yáng)輻射隨時(shí)間的變化為

(8)

式中：ωt=-15(6-t-ω0/15)，ωt為t時(shí)刻的太陽(yáng)時(shí)角；Gsc為太陽(yáng)常數(shù)；n為所求日期在一年中的日子數(shù)；δ為太陽(yáng)赤緯角；φ為地理緯度.

1～N塊鏡元得到的能量相加就能得到整個(gè)鏡場(chǎng)接收到的總能量為

(9)

1.2 二次聚光器的設(shè)計(jì)

二次聚光器采用拋物線(xiàn)與圓的漸開(kāi)線(xiàn)光滑連接的組合槽式聚光器結(jié)構(gòu). 聚光器底部為一段圓的漸開(kāi)線(xiàn)，在靠近進(jìn)光口附近外接一段拋物線(xiàn)，漸開(kāi)線(xiàn)的展開(kāi)圓為該聚光器相應(yīng)真空集熱管的內(nèi)圓，也即吸熱圓. 漸開(kāi)線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)在于可以有效接收經(jīng)一次反射后未達(dá)到吸熱圓的太陽(yáng)光，進(jìn)而提高了整個(gè)聚光器的聚光效率，接收半角的設(shè)計(jì)也因此相當(dāng)靈活. 聚光效果如圖3所示.

圓的漸開(kāi)線(xiàn)在直角坐標(biāo)中的方程為

(10)

式中：r為吸熱圓半徑，取30 mm；θ為漸開(kāi)角，漸開(kāi)線(xiàn)上任意一點(diǎn)的法線(xiàn)都與吸熱圓相切，切點(diǎn)到漸開(kāi)線(xiàn)初始點(diǎn)之間圓弧的角度即為漸開(kāi)角.

拋物線(xiàn)部分的方程為

(11)

將拋物線(xiàn)進(jìn)行一定的旋轉(zhuǎn)和平移之后與漸開(kāi)線(xiàn)連接，并盡量保證結(jié)合點(diǎn)光滑.

聚光器開(kāi)口寬度越大，對(duì)下方鏡場(chǎng)產(chǎn)生的陰影遮擋也就越大，而開(kāi)口寬度太小又勢(shì)必導(dǎo)致由平面鏡反射至聚光器的光線(xiàn)無(wú)法完全被接收到，在本設(shè)計(jì)中將聚光器開(kāi)口寬度取為略大于單塊平面鏡寬度的0.42 m.

理論上，采用吸熱管圓周的漸開(kāi)線(xiàn)作為型線(xiàn)設(shè)計(jì)得到的二次聚光器會(huì)將到達(dá)其反射面的所有光線(xiàn)都反射到吸熱管上. 但實(shí)際上一般采用的集熱真空管由于其吸熱管外存在真空夾層與玻璃管殼，這將使得漸開(kāi)線(xiàn)的向下凹的V型尖頂無(wú)法貼合吸熱圓而存在一定間隙，這個(gè)間隙會(huì)造成漏光，使聚光效率有所降低. 為改善這一問(wèn)題，文中在漸開(kāi)線(xiàn)的初始設(shè)計(jì)中先選用了較小的吸熱圓半徑，在組合成聚光器后改用半徑較大的吸熱圓與之配合. 采用半徑60 mm的吸熱圓與漸開(kāi)線(xiàn)組合聚光器配合. 該漸開(kāi)線(xiàn)組合槽式聚光器在入射角為30°時(shí)的接收效率為98%；聚光器接收垂直入射到鏡場(chǎng)再由鏡場(chǎng)反射的總張角為57.2°的多組平行光束，并反射至真空管集熱器，只有極少數(shù)光線(xiàn)經(jīng)多次反射后逸出，接收效率為95%，有非常好的聚光效果.

1.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立

為測(cè)試三運(yùn)動(dòng)復(fù)合式系統(tǒng)在實(shí)際天氣下運(yùn)行的可行性，設(shè)計(jì)和制造了如下一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)：三運(yùn)動(dòng)復(fù)合菲涅耳反射聚光系統(tǒng)由11塊平面鏡構(gòu)成，每塊平面鏡長(zhǎng)為4 m、寬為0.4 m. 平鋪時(shí)，鏡元之間間距為0.05 m. 每塊平面鏡的背面以一根圓形的轉(zhuǎn)動(dòng)軸承作為支撐，軸承上伸出數(shù)個(gè)支架扣住平面鏡作為固定，平面鏡以轉(zhuǎn)動(dòng)軸承為軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng). 11塊平面鏡組成的鏡組總長(zhǎng)為4.9 m，作為整體置于長(zhǎng)為12 m的滑軌上，運(yùn)動(dòng)時(shí)每面平面鏡之間的相對(duì)位置固定不變，只進(jìn)行鏡組的整體平移滑動(dòng). 考慮到緯度越高，菲涅耳反射鏡場(chǎng)的端部損失會(huì)相對(duì)增大，因此將測(cè)試地點(diǎn)選在緯度較低的廣西省柳州市(北緯24°03′).

如圖4所示，在滑軌的中心位置架設(shè)有接收器，位于平面鏡場(chǎng)的上方4.5 m高處，接收器的中心部分為玻璃真空管，外部罩有二次聚光器. 真空管與二次聚光器的長(zhǎng)度均與鏡場(chǎng)保持一致，為4 m. 真空管位置固定，二次聚光器可繞真空管為軸心轉(zhuǎn)動(dòng). 真空管與傳熱管路相連，并接入一個(gè)油箱，形成閉合的導(dǎo)熱環(huán)路. 充入作為介質(zhì)的導(dǎo)熱油10 kg.

以早上9∶00作為實(shí)驗(yàn)的起始時(shí)刻，此時(shí)太陽(yáng)光以37°從東側(cè)入射，鏡組置于鏡場(chǎng)滑軌的最西側(cè)；經(jīng)計(jì)算得到在進(jìn)行測(cè)試的7月26日前后，當(dāng)?shù)卣缣?yáng)時(shí)為北京時(shí)間中午12∶40，于是將12∶40作為中心時(shí)刻，需保證在此時(shí)刻鏡組移動(dòng)至聚光器的正下方；對(duì)應(yīng)地，下午16∶40時(shí)，鏡組移動(dòng)至鏡場(chǎng)滑軌的最東側(cè). 每5 min對(duì)平面鏡的角度進(jìn)行微調(diào)以保證始終聚焦于集熱器，鏡場(chǎng)每30 min移動(dòng)0.48 m，二次聚光器轉(zhuǎn)動(dòng)4.16°.

1.4 測(cè)試結(jié)果分析

將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)按設(shè)計(jì)的三運(yùn)動(dòng)復(fù)合式運(yùn)行規(guī)律，以及固定式普通菲涅耳反射式分別進(jìn)行了全天候測(cè)試.

為研究三運(yùn)動(dòng)復(fù)合式系統(tǒng)中各平面鏡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，記錄運(yùn)行過(guò)程中每塊平面鏡的傾角值，得到如圖5所示的各平面鏡的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線(xiàn)(鏡場(chǎng)中的11塊平面鏡從西向東依次記為A-K). 由圖可以看出：每塊平面鏡的起始角度各不相同，A鏡最大，K 鏡最小， 其余鏡均勻分布于A和K之間. 每塊平面鏡的變化趨勢(shì)基本一致，為始終勻速的連續(xù)變化. 這與理論計(jì)算的結(jié)果一致，這個(gè)結(jié)論說(shuō)明，只需設(shè)定鏡場(chǎng)中每塊平面鏡不同的起始角度，在各平面鏡之間的傳動(dòng)軸承之間用齒輪連接，即可以通過(guò)對(duì)其中一塊平面鏡的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)所有平面鏡的準(zhǔn)確驅(qū)動(dòng)，無(wú)需對(duì)每面平面鏡進(jìn)行單獨(dú)跟蹤，能大大節(jié)省系統(tǒng)成本，并可推廣于更大規(guī)模的鏡場(chǎng)[9].

以布置于油箱中心處的溫度點(diǎn)作為縱坐標(biāo)，每隔10 min采集一次并將采集時(shí)刻作為橫坐標(biāo)，由此得到的測(cè)試結(jié)果如圖6所示(點(diǎn)狀線(xiàn)表示測(cè)點(diǎn)處導(dǎo)熱油溫度，折線(xiàn)為太陽(yáng)輻射值，E為太陽(yáng)能). 兩種系統(tǒng)形式的溫度曲線(xiàn)均呈現(xiàn)總體升高局部波動(dòng)的情況，原因在于：菲涅耳反射聚光系統(tǒng)對(duì)天氣的瞬時(shí)變化較為敏感，廣西地處山區(qū)所以晴天仍有較厚云層，云層的移動(dòng)會(huì)不時(shí)對(duì)入射到鏡場(chǎng)的太陽(yáng)光造成遮擋，使得集熱器的瞬時(shí)得熱量急劇減小，而散熱仍然存在，由此造成集熱器溫度在某些時(shí)刻一定程度的下降. 因此，目前的導(dǎo)熱油循環(huán)管路和油箱的保溫措施還有較大改善的余地.

在多次試驗(yàn)中選取了三運(yùn)動(dòng)復(fù)合式系統(tǒng)與普通菲涅耳系統(tǒng)各兩組數(shù)據(jù)(如圖6所示). 在4天的太陽(yáng)輻射值總體差別不大的情況下，三運(yùn)動(dòng)復(fù)合式系統(tǒng)在運(yùn)行溫度上始終高于普通菲涅耳反射系統(tǒng)，最高可達(dá)150 ℃；普通菲涅耳反射系統(tǒng)的最高溫度在120 ℃左右. 取太陽(yáng)輻射值均較為穩(wěn)定的10：00至11：00間的數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)的總效率，得到三運(yùn)動(dòng)復(fù)合式系統(tǒng)的效率為38.2%，而普通菲涅耳系統(tǒng)的效率為29.3%. 這說(shuō)明，文中設(shè)計(jì)三運(yùn)動(dòng)復(fù)合的運(yùn)動(dòng)方式可以行之有效地降低菲涅耳反射聚光系統(tǒng)的余弦損失，提高系統(tǒng)的總體聚光集熱效率.

2 通過(guò)光學(xué)仿真分析對(duì)系統(tǒng)的改進(jìn)

在SolidWorks里建立二次聚光器與鏡場(chǎng)的3D模型導(dǎo)入光學(xué)仿真軟件軟件Lighttools中，并按照實(shí)際部件的表面光學(xué)屬性對(duì)模型進(jìn)行了設(shè)定. 設(shè)置不同時(shí)刻下太陽(yáng)的入射角和鏡場(chǎng)的坐標(biāo)，并通過(guò)依次調(diào)整各平面鏡的傾角來(lái)保證聚光器的最大程度接收，獲得各時(shí)刻的三運(yùn)動(dòng)復(fù)合式系統(tǒng)的光學(xué)模擬情況，其中選取了初始時(shí)刻09：00以及中間時(shí)刻12：40，如圖7所示. 由圖7可以看出，始終有一塊平面鏡被二次接收器的陰影遮擋，鏡場(chǎng)11塊平面鏡中只有10塊實(shí)現(xiàn)有效接收太陽(yáng)光.

在維持現(xiàn)有鏡場(chǎng)寬度不變的情況下，使接收器高度f(wàn)增大一倍， 9∶00時(shí)系統(tǒng)的光學(xué)模擬情況如圖8(a)所示. 此時(shí)11塊平面鏡都能接收到太陽(yáng)光，但接收器高度增加也使各平面鏡傾角增大，也就導(dǎo)致平面鏡的法線(xiàn)與入射光的夾角增大，即余弦損失也隨之增大了，增加的余弦損失將會(huì)抵消一部分增加的鏡面面積. 經(jīng)計(jì)算，在計(jì)入余弦效應(yīng)后，原接收器高度下的有效鏡面寬度為3.59 m；2倍接收器高度下的有效鏡面寬度為3.64 m. 可見(jiàn)，接收器高度增大一倍對(duì)有效鏡面寬度的提升并不顯著，但與之配合的熱力管路長(zhǎng)度則需大為增加，這會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)造價(jià)升高、維護(hù)困難以及系統(tǒng)熱損增加等一系列實(shí)際運(yùn)行中的問(wèn)題. 與此同時(shí)，接收器高度增加還將導(dǎo)致端部損失增大，這種情況在高緯度地區(qū)會(huì)表現(xiàn)得尤為明顯，會(huì)大大影響整個(gè)系統(tǒng)的聚光集熱效率. 因此，提高接收器高度不是有效提高鏡場(chǎng)利用率的方法.

若在維持現(xiàn)有鏡場(chǎng)寬度不變的情況下，使接收器高度降低為1/2f， 9∶00時(shí)系統(tǒng)的光學(xué)模擬情況如圖8(b)所示. 從圖中可以看出，此時(shí)接收器在平面鏡上留下的陰影面積增大，而且相鄰兩平面鏡之間的遮擋更為嚴(yán)重，不僅對(duì)入射光線(xiàn)存在遮擋，對(duì)反射光線(xiàn)也有遮擋. 鏡場(chǎng)反射光線(xiàn)的總張角也同時(shí)增大，但二次聚光器的有效設(shè)計(jì)此時(shí)仍能保證較高的接收效率. 接收器高度降低對(duì)鏡場(chǎng)的改善作用在于，它使得平面鏡的法線(xiàn)與入射光的夾角進(jìn)一步減小，也即，更好地降低了鏡場(chǎng)的余弦損失. 那么，可以在適當(dāng)降低接收器高度的同時(shí)，在二次聚光器接收允許的范圍內(nèi)適當(dāng)增大鏡間距G.

另外，增加鏡場(chǎng)寬度也與降低接收器高度有類(lèi)似的效果，也是一項(xiàng)有效的改進(jìn)措施. 還可在二次聚光器接收角允許的范圍內(nèi)設(shè)置足夠多數(shù)量的平面鏡，圖8(c)為在原鏡場(chǎng)11塊平面鏡的基礎(chǔ)上又增加了10塊平面鏡后系統(tǒng)的模擬情況，此時(shí)大部分光線(xiàn)仍能被有效接收. 依據(jù)之前的研究結(jié)果可知，通過(guò)對(duì)其中一塊平面鏡的控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有平面鏡的準(zhǔn)確驅(qū)動(dòng)，因此增加平面鏡的數(shù)量之后系統(tǒng)在控制系統(tǒng)及材料方面的成本增加不大，但鏡場(chǎng)重量的增加會(huì)使驅(qū)動(dòng)鏡場(chǎng)所要耗費(fèi)的能源成本增加. 此外，若鏡組在滑軌上可移動(dòng)的距離會(huì)因?yàn)槠矫骁R數(shù)量的增多而減小，這也會(huì)對(duì)總體的余弦損失產(chǎn)生影響. 綜合以上因素，在原鏡場(chǎng)的基礎(chǔ)上增加4塊平面鏡(最左側(cè)和最右側(cè)各兩塊)，總平面鏡數(shù)量為15塊為宜.

3 結(jié) 論

基于菲涅耳反射鏡場(chǎng)不同位置鏡元有效接收面積的差異，提出了一種能減小余弦損失提高鏡場(chǎng)聚光效率的新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以及相應(yīng)的系統(tǒng)運(yùn)行方式：鏡場(chǎng)整體與太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)方向保持反向勻速移動(dòng)，二次聚光器隨鏡場(chǎng)移動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，鏡場(chǎng)中的單個(gè)鏡元在整體移動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證入射太陽(yáng)光準(zhǔn)確反射至接收器. 該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要有:提高了系統(tǒng)的聚光效率. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)際天氣條件下三運(yùn)動(dòng)復(fù)合式系統(tǒng)的集熱效率為38.2%，比固定式菲涅耳系統(tǒng)效率有顯著提高了約9%;降低了系統(tǒng)的跟蹤要求，各鏡元均按同一旋轉(zhuǎn)速度跟蹤太陽(yáng)，簡(jiǎn)化了跟蹤系統(tǒng). 隨后在Lighttools中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了光學(xué)仿真分析，分析結(jié)果表明：在現(xiàn)有系統(tǒng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，適當(dāng)降低接收器高度可進(jìn)一步減小余弦損失；在二次聚光器接收允許的范圍內(nèi)適當(dāng)增大鏡元間距還可減小鏡場(chǎng)遮擋損失，繼續(xù)提高系統(tǒng)聚光集熱效率.

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(責(zé)任編輯：孫竹鳳)

Performance of Linear Fresnel Reflector System Combined Three-Movement

DAI Jing1,2， ZHENG Hong-fei1， FENG Chao-qing1，3

(1.School of Mechanical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China; 2.Rayspower New Energy Co.Ltd.， Beijing 102200， China; 3. College of Energy and Power EngineerinInner Mongolia University of Technology， Hohhot， Inner Mongolia 010051， China)

As a kind of geometric loss caused by the system structure of linear Fresnel reflector, cosine loss has an important affect on the concentration ratio; accordingly a new type of linear Fresnel reflector system was designed, it could decrease cosine loss by shifting its mirror field onto opposite direction with solar. A test system built in Liuzhou, Guangxi Province at a latitude of 24°03′ N to validate the feasibility and practice efficiency of theoretic design. The results show that the concentration ratio of the new system has been improved by 9%, comparing with the fixed system, corresponding with the theoretical calculation result. Optical simulation was subsequently developed, and the simulative result will be used to provide guidance for optimizing future system. Analysis results show that the parameters on the basis of the existing system, due to lower receiver height can be further reduced to cosine loss; secondary concentrator, when it receives increasing mirror spacing within the allowed range, can also reduce the loss of field block, continue to improve the system concentrating.

linear Fresnel reflector; cosine loss; secondary concentrator; optical simulative analysis

2013-01-02

國(guó)家“八六三”計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA102407-2)

戴靜(1984—)，女，博士，E-mail:ever_dai@hotmail.com.

鄭宏飛(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:hongfeizh@bit.edu.cn.

TK 513.1

A

1001-0645(2016)05-0464-07

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.05.005