线性菲涅耳集热器接收器对镜场的遮挡研究*

徐 众，万书权，韩洪波，刘黔蜀

（1. 攀枝花学院生物与化学工程学院，四川 攀枝花 617000；2. 太阳能技术集成及应用推广四川省高校重点实验室，四川 攀枝花 617000）

线性菲涅耳集热器接收器对镜场的遮挡研究*

徐 众1,2†，万书权1，韩洪波1，刘黔蜀2

（1. 攀枝花学院生物与化学工程学院，四川 攀枝花 617000；2. 太阳能技术集成及应用推广四川省高校重点实验室，四川 攀枝花 617000）

带有二次反射器的线性菲涅耳聚光集热器，虽然其接收器表面的能量分布更均匀，但也增加了接收器对反射镜场的遮挡。本文采用理论计算和模拟两种方式对已设计的线性菲涅耳集热器二次反射器对镜场的遮挡情况进行分析，先通过理论计算得出二次反射器对西边三块初级反射镜遮挡角θni的范围，然后利用光线追踪软件模拟出安装和不安装二次反射器两种情况下到达初级反射镜的光线数目，根据光线数目变化情况得出西边三块反射镜的遮挡角变化范围分别为70°～90°、54°～72°和42°～58°，同时引入光线损失率来衡量二次反射镜对镜元遮挡的影响，结果得出安装二次反射器后镜元光线损失率最大值达到23.53%。

线性菲涅耳集热器；接收器；遮挡；遮挡角

0 引 言

太阳能低温利用技术已较为成熟，以太阳能热水器为代表，中高温利用则因成本较高而无法实现推广。中高温利用主要集中于聚光发电如槽式聚光、碟式聚光和塔式聚光等，成本普遍偏高，开发一种结构简单、成本低的聚光器迫在眉睫，小型菲涅耳集热器就属于这一类型。尤其在中高温（100℃～300℃）段，不但可以发挥菲涅耳集热器成本低的优势，而且还具有显著的经济和社会效益[1]。国内的杜春旭、王普和马重芳等人对一次线性菲涅耳反射式集热器的跟踪[1]、镜场辐射量[2]、镜场遮挡[3]和聚光比[4]进行了详细的研究；浦绍选则对带有新型反射器的线性菲涅耳集热器的光学设计[5]、端部损失[6]和能损[7]进行了分析；赵金龙等[8]对聚光器的聚焦光斑能流密度分布进行了理论计算；马宏财等[9]采用蒙特卡罗法对聚光接收器的布局及形状进行了优化设计，然而接收器对镜场的遮挡研究却鲜有报道。本文采用理论计算和模拟相结合的方式对小型线性菲涅耳集热器接收器对镜场的遮挡进行分析。

1 线性菲涅耳集热器结构介绍

1.1 初级反射镜初始角的确定

正午太阳垂直入射时计算出初级反射镜的初始角，其聚光原理见图1。由图1中的几何关系确定初级反射镜的初始角计算式：

式中：βn是第n块初级反射镜与水平面之间夹角；nλ是第n块初级反射镜的反射角；dn是第n块初级反射镜到镜场中心的距离；H是真空管中心到反射镜场中心的距离。

将相关参数代入式（1）计算得出1～3号初级反射镜的初始角见表1，1～3号与4～6号反射镜属于对称分布。规定反射面向西βn取正，向东取负。图中R是反射光线单位矢量，S表示太阳光入射单位矢量， N表示镜元法线单位矢量。

图1 太阳垂直入射时镜场的分布Fig. 1 Distribution of mirror field in the case of light vertical incidence

表1 初级反射镜的初始角（H=1 500 mm）Table 1 Initial angle of primary mirror (H=1 500 mm)

1.2 集热器结构

线性菲涅耳集热器主要由初级反射镜、跟踪器、二次反射镜、真空直通管和支架构成。其中，初级反射镜场由长500 mm、宽100 mm的小平面镜按菲涅耳聚光方式以一定角度拼接而成6个初级反射镜模块组成，镜场的长和宽分别为6 000 mm和2 950 mm，初级反射镜模块端部安装太阳能跟踪器；吸收体由三根有效长度为2 000 mm（含两端接口长为2 120 mm）的真空直通管串联而成；二次反射镜由两块铝合金制作的1/4圆弧构成（半径为70 mm），二次反射器的安装见图2，采用文献[10]中的计算方式得出二次反射镜的开口宽度l为180 mm[11]。图中H为真空管中心到镜场中心的距离（取1 500 mm），r为真空管外管半径（取60 mm），w为初级反射镜镜面宽度（取409 mm）。由于设计过程并未考虑二次反射器对初级反射镜的遮挡，因此需要通过模拟计算来衡量二次反射器对初级反射镜的遮挡情况，为集热器的结构优化提供理论依据。

图2 接收器基本结构参数示意图Fig. 2 Structure parameter diagram of receiver

2 接收器对镜场的遮挡计算

集热器镜场采用东西对称放置，所以只对镜元4、5、6的遮挡情况进行分析，见图3。初级反射镜元由很多块小平面镜组成，而小平面镜采用菲涅耳分布，因此不在同一平面内，计算时忽略这一影响因素，即每一个初级反射镜上的小平面镜都处于同一平面内，二次反射镜与真空管之间距离小于10 mm计算时忽略，即二次反射器与真空管直接接触。

图3a中的5θ＇是假设在没有接收器时，光线从原接收器顶端位置照射到初级反射镜5中心时所对应的角度（用于编程计算角度θni时使用）；θ5A为假设将接收器近似看作一个竖直放置的长方体，当一束平行光线照射到接收器时，通过其最低点的一束光线产生的阴影恰好落到初级反射镜5的顶端时，接收器的阴影开始靠近镜元5；θ5B为假设将接收器近似看作一个竖直放置的长方体，当一束平行光线照射到接收器时，通过其最顶端的一束光线产生的阴影恰好落到初级反射镜5的底端时，接收器的阴影开始远离镜元5；βn0为第n块初级反射镜的初始角（见表1）。

由图3a的几何关系可以得出式（2），将相关参数代入式（3）即可计算出4θ＇、5θ＇和6θ＇的值，见表2。

图3 接收器对镜场的遮挡情况分析Fig. 3 Analysis of mirror field shelter from receiver

表2 中心遮挡角Table 2 Center shielding angle

从图1、图3b和图3c中的几何关系可以得出式（4）和式（5）：

式中，βn可以根据式（6）计算出，而式（6）中的βn0的值如表1所示，初级反射镜元的宽度w取409 mm，R为二次反射镜圆弧半径取70 mm。

采用Visual Basic 6.0编程计算得出接收器对镜元4、5、6遮挡角范围如表3所示。

表3 遮挡角的理论计算结果Table 3 Theoretical calculation results of shielding angle

3 接收器对镜场的遮挡模拟

此次采用的模拟软件是TracePro6.0，其模拟步骤如下：

（1）在软件当中建立模型并加载光源，辐照度为800 W/m2；

（2）根据理论计算得出的遮挡角范围确定模拟角度范围（在理论计算基础上增减10°）；

（3）为保证模拟值的准确性，除了初级反射镜的反射面以外的所有面均设置为吸收面；

（4）模拟过程当中θn的间隔取2°，即间隔2°确立一个模型；

（5）为验证二次反射镜遮挡情况，模拟时采用有二次反射器和没有二次反射器两种模型进行对比；

（6）点击光线追踪进行模拟分析，记录每个初级反射镜元的光线数目。

模拟软件可直接输出到达每一块平面镜的光线数目，通过光线数目变化情况反映出接收器对每个镜元的遮挡，见图4，从图中读出接收器对镜元的遮挡角范围见表4。

表4 镜遮挡角的模拟结果Table 4 Simulated results of shielding angle

接收器的光口宽度180 mm远大于小平面镜的宽度10 mm，因此随着入射光线角度的变化，接收器就会对不同的反射镜产生遮挡，从图4中可以看出增加二次反射镜后到达初级反射镜的光线数目明显减少，说明增加二次反射镜以后对初级反射镜的反射效率会产生相应的影响。

图4 初级反射镜4（a）、5（b）和6（c）上的光线数目Fig. 4 Number of ray on the fourth (a), the fifth (b), and the sixth (c) primary mirror

引入变量光线损失率ε来表示增加二次反射镜对初级反射镜的遮挡情况；N表示没有二次反射镜时到达初级反射镜的光线数目；N′表示有二次反射镜时到达初级反射镜的光线数目，则ε可以通过式（7）计算。

通过模拟数据和公式（7）计算出镜元4、5、6的光线损失率见表5。

表5 光线损失率Table 5 Loss rate of rays

4 结 论

（1）线性菲涅耳集热器接收器对初级反射镜遮挡角的理论计算采用的是近似处理，因此和模拟值之间存在2°～4°的误差。

（2）模拟得出二次反射器对初级镜元4、5、6的遮挡角范围分别为70°～90°、56°～72°、42°～58°。

（3）模拟结果显示增加二次反射器以后到达线性菲涅耳集热器初级反射镜的光线数目明显减少，光线损失率最高值达到23.53%，说明增加二次反射器以后对初级反射镜的反射效率有一定的影响。

[1] 杜春旭, 王普, 马重芳, 等. 菲涅耳太阳能聚光系统跟踪倾角的矢量算法[J]. 太阳能学报, 2011, 32(6): 31-35.

[2] 杜春旭, 王普, 吴玉庭, 等. 线性菲涅耳聚光镜场辐射量计算方[J]. 化工学报, 2010, 62(s1): 179-184.

[3] 杜春旭, 王普, 马重芳, 等. 线性菲涅耳聚光系统无遮挡镜场布置的光学几何方法[J]. 光学学报, 2010, 30(11): 3276-3282.

[4] 杜春旭, 王普, 马重芳, 等. 线性菲涅耳聚光装置聚光比[J]. 光学学报, 2011, 31(8): 1-6.

[5] 浦绍选, 夏朝凤. 全平面镜线反射太阳聚光器的光学设计[J]. 农业工程学报, 2011, 12(27): 282-285.

[6] 浦绍选, 夏朝凤. 线聚光菲涅耳集热器的端部损失与补偿[J]. 农业工程学报, 2011, 27(1): 282-285.

[7] 徐众, 浦绍选, 夏朝凤. 线性菲涅耳集热器的能损分析[J]. 能源研究与利用, 2012(2): 41-43.

[8] 赵金龙, 李林, 崔正军, 等. 线性菲涅耳反射聚光器聚焦光斑能流密度分布的计算[J]. 光学学报, 2012, 32(12): 1-7.

[9] 马宏才, 金光, 钟兴, 等. 基于蒙特卡罗法的太阳能聚光接收器布局及形状优化设计[J]. 光学学报, 2013, 33(3): 1-6.

[10] Roberto G, Pietro T .Solar linear Fresnel collector using molten nitrates as heat transfer fluid [J]. Energy, 2011, 36(2):1048-1056.

[11] 徐众, 刘黔蜀, 邹敏, 等. 线性菲涅耳集热器的光学效率分析[J]. 太阳能, 2014, 28(4): 35-38.

Discussion of Mirror Field Shelter from Linear Fresnel Collector Receiver

XU Zhong1,2, WAN Shu-quan1, HAN Hong-bo1, LIU Qian-shu2
(1. College of Biology＆Chemical Engineering, Sichuan Panzhihua 617000, China; 2. Application and Solar Technology Integration Sichuan Provincial Key Laboratory of University, Sichuan Panzhihua 617000, China)

The linear fresnel reflector (LFR) with secondary reflector has more uniform solar radiation distribution on the receiver surface, but it increases shelter between receiver and reflector. In this article, the shielding of the designed LFR with secondary reflector was analyzed by theoretical calculation and simulation. Firstly, the range of shielding angleθnibetween second reflector and the west three primary mirrors was obtained by theoretical calculation. Then, the number of received rays of primary mirrors was simulated by using the ray-tracing with or without the installation of secondary reflector. According to the change of numbers, it showed that the range of shielding angle of west three mirrors were 70°～90°, 54°～72° and 42°～58°, respectively. In addition, loss rate of rays was used to evaluate the shielding effect of secondary reflector, it showed that the maximum loss rate of rays was 23.35% with the secondary reflector.

Linear Fresnel Reflector; receiver; shielding; the shielding angle

TK51；S214

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.04.004

2095-560X（2015）04-0261-04

徐 众（1985-），男，助教，主要从事太阳能光热利用研究。

万书权（1983-），男，副教授，主要从事新能源材料研究。

韩洪波（1981-），男，讲师，主要从事干热河谷地区资源开发与利用研究。

刘黔蜀（1964-），男，高级工程师，主要从事太阳能技术应用及推广。

2015-05-17

2015-07-02

† 通信作者：徐 众，E-mail：xuzhong418968604@163.com