CPC在中高温太阳能集热器中的应用与设计

廖乃雄 陈焕懿

摘 要：在太阳能中高温热利用中普通的太阳能集热器难以达到100℃以上温度，必须通过聚光来实现中高温集热器。复合抛物面（CPC）是一种非成像低聚焦度的聚光器。文章根据边缘光线原理，给出复合抛物面聚光器的曲线方程，并结合实例介绍一种复合抛物面（CPC）的设计方法。

关键词：复合抛物面（CPC）；热管式真空管；中高温太阳能集热器

前言

随着发展中国家工业大幅扩张，消耗的蒸汽数量增长迅速，由此造成的环境问题如CO2、SO2等温室气体排放、氮氧化物等有害气体的污染日益加重；另一方面，国际原油价格的飙升，使企业生产成本急剧增加。从环境、社会经济的可持续发展角度来说，既环保又采之不尽的太阳能中高温热利用成为必然趋势。中高温蒸汽是指温度范围在100～300℃的蒸汽，在工农业生产中有着广泛的应用。在太阳能中温应用领域中，由于非聚光集热器很难达到较高的温度，而抛物面聚光器又需要复杂的跟踪系统，价格昂贵，因此复合抛物面聚光器（CPC）有着广泛的应用前景。

1 复合抛物面（CPC）的设计

1.1 复合抛物面（CPC）的特点

在太阳能中高温热利用中普通的太阳能集热器难以达到100℃以上温度，必须通过聚光来实现中高温集热器。复合抛物面（CPC）是一种非成像低聚焦度的聚光器，具有以下特点：（1）由于它有较大的接收角，故在运行时不需要连续跟踪太阳能，它的聚光比可达到在10以内，当聚光比在3以下时可做成固定式装置；（2）可接收直射太阳能辐射和部分散射辐射，并能接收一般跟踪聚光器所不能接收的"太阳能周围辐射"；（3）复合抛物面（CPC）的聚光面型加工精度要求不严格，将其应用在太阳能集热器中，可降低成本。

复合抛物面（CPC）型热管式中高温太阳能集热器采用外聚光方式，以热管式真空管作为吸收体，在热管式真空管外增加了复合抛物面聚光反射器（CPC），使集热效率得到大幅度提高，温度可达100～250℃。

1.2 复合抛物面（CPC）聚光器的设计

根据边缘光线原理：对于聚光器，以最大入射半角θ入射的所有光线，都必须从出射孔径的边缘出射。也就是说，入射光束中的最外侧光线也应是出射孔径处的最外侧光线。出射孔径的直径2d和最大入射半角θ完全确定了复合抛物面的形状。

1.2.1 复合抛物面基本参数

（1）聚光比

聚光比是入射光束面积与出射光束面积的比值（即入射孔径面积与吸收体表面积之比）。复合抛物面（CPC）聚光器的聚光比决定于它的采光半角θa。

C=■

（2）复合曲线中，抛物线上任一点至焦距F1的距离R为

R=■，2θa≤θR≤π

θR为变量，在2θa≤θR≤π之间确定。

复合曲线中，圆渐开线上任一点至基圆切点的距离ρ为

ρ=rθ，θ≤■+θa

1.2.2 复合抛物面聚光器曲线参数方程可表示为

确定入射角（采光半角θa）和为吸热体半径r，可由下列方程得到复合抛物面聚光器曲线

圆渐开线坐标方程：

x=r（sinθ-θcosθ）

y=-r（cosθ+θsinθ）

抛物线任一点的坐标方程：

x=r[■]

y=r[■]

1.2.3 截短复合抛物面聚光器

复合抛物面聚光器的聚光比决定于其采光半角θa，采光半角越小，则聚光比越大。实际中，采用增加镜面高度H来增加聚光比的方法，在经济上是不可取的，采光半角θa与镜面高度H之间的变化曲线十分陡峭，θa微小变化，H变化很大，即为了好的经济效益，稍微降低聚光比可大大降低镜面总高度。通常镜面总高度截短1/3～1/2，甚至更多。

2 实际应用

下面是太阳能中温实例应用的聚光器设计。采用Φ58mm，长1800mm的真空玻璃管为吸热体，吸热的内层玻璃管Φ47，半径r=23.5。在制造或安装过程中存在误差或入射角稍大于θ角，那么将会有一部分光线不能会聚到吸收体上，导致集热效率下降。因此，在计算公式中，可以将r的计算值比实际值略小一些取22计算。初步确定聚光比为5，采光半角θa为14.48。将以上各参数带入曲线参数方程，并根据所得数据绘制出CPC截面形状如图1所示。由图中可知，这时聚光比：C=444.4/2πr=444.4/2×3.14×23.5=3.01

图1

为保证聚光器集光面能在太阳通过天空运动时总是包含有太阳，首先要让聚光器有足够大的接收角。太阳每小时运转15°，为保证聚光器一天中有6个小时能接收到阳光，则有2θa/15°=6，即θa=45°。截短后图形如图2所示。

由图中可知，这时聚光比：C=321.8/2πr=321.8/2×3.14×23.5=2.18

图2

3 结束语

文章根据边缘光线原理，给出复合抛物面聚光器的曲线方程，结合实例和经济效益、工艺方法介绍复合抛物面（CPC）聚光器的设计方法，可为太阳能中高温集热器的聚光器的设计提供参考。