线性菲涅尔聚光器的腔体吸收器研究进展

戴 娟，浦绍选，杨 康 (云南师范大学太阳能研究所云南省农村能源工程重点实验室，云南昆明650092)

线性菲涅尔太阳能集热器主要由光学聚光器、接收器、太阳跟踪控制装置3部分构成，其接收器核心部件是吸收器［1］。现研究的吸收器主要有2种:真空管吸收器和腔体吸收器。真空管吸收器由表面镀有选择性膜层的金属内管和玻璃外套管组成，内管与外管之间为真空，以减少对流和导热损失，通常称为槽式真空集热管。真空集热管对阳光的吸收率高，工作时的发射率低。但是，为了保持其长期高真空度及选择性涂层的稳定，金属管与玻璃管间封接技术要求高，工艺复杂，制作成本相对较高［2］。腔体吸收器结构为一槽式腔体，腔体内壁涂有选择性涂层，外壁包裹隔热材料。腔体吸收器与真空管相比，结构更为简单，经聚焦的辐射热流几乎均匀地分布在腔体内壁，具有较低的投射辐射能流密度，开口有效温度的降低使得热损失也随着降低，有较好的热稳定性［3］，腔体吸收器的腔体内壁温度较为平均，有效减小了内壁与工作流体间的温差，腔体开口有效温度降低，进而热损失降低［4］;腔体吸热器吸收热量过程发生在焦点后，因为其内表面积足够大，向工作流体传热效果较好［5］，而且在同样工况下，流体平均温度大于230℃时，应用腔体吸收器的集热效率大于真空管［6］。现研究表明腔体吸收器较真空管吸收器经济效益更好，在市场竞争中更有优势。

与以往的槽式，塔式，碟式聚光相比，线性菲涅尔反射镜聚光器的聚光效果比较低，用真空管作为吸收器时需要增加2次聚光装置才能保证吸收器能更多地接收到太阳光线，而腔体吸收器开口较大，不需要2次聚光装置［7］，使整个接收器的结构更为简单。线性菲涅尔反射集热器属于中温应用，主要输出80～250℃的热源，现已证明此温度段采用真空管和腔体作为吸收器均能达到较高的热效率［1］，而腔体吸收器无真空装置，可以有效地降低工艺成本、也避免了真空管吸收器对玻璃和金属封接技术的高要求［8］，因此，在线性菲涅尔集热器中使用腔体吸收器有其自身优势。

腔体吸收器的外形结构有多种，目前国内外研究的腔体吸收器的截面结构类型有长方形、正方形、半圆形、圆弧型、三角形、梯形、圆柱形、圆锥形等。在内部结构上，有管簇结构和环套结构2种。通过总结分析国内外学者对腔体吸收器的研究进展，探讨接收器的基本原理、结构类型、适于温度、接收宽度要求、热性能要求等技术层面的问题，希望对其实际应用有推进作用。

1 线型腔体吸收器基本原理

线聚光器将太阳光聚焦到腔体吸收器的开口处，吸收器开口处的太阳光线进入腔体内部，太阳光所含能量一部分在开口处被损失在环境中，其余被腔体内壁吸收，再次损失后被腔体内的导热液体吸收。开口处的热损失包括对流和辐射损失。导热液体吸收的热量一部分随液体的流动被带走作为有用能，另一部分通过腔体壁导热损失在环境中。以圆弧型腔体吸收器为例，腔体吸收器的热传递如图1所示，线性菲涅尔反射太阳能集热器的工作原理如图2所示。

腔体吸收器的热量损失主要为在开口处的对流与辐射损失及腔体壁的热阻损失，因此腔体吸收器热性能的改进应提高开口处对光线的吸收率，降低其对光线的发射率;减少腔体吸收器的热阻，降低热损系数。目前国内外对腔体吸收器的研究着重在于改进其结构外形，优化内部结构，以求寻找出一种最优的腔体结构的吸收器。

2 线性菲涅尔聚光器的腔体吸收器研究进展

早在20世纪七、八十年代，当人们对玻璃金属真空管吸收器的研究深入到一定的程度，许多学者转而研究没有真空夹层的腔体吸收器。1976年Boyd［9］提出了没有真空夹层的圆柱形腔体吸收器，光线接收面为圆柱的一个底面，导热液体在环形圆槽内流动，圆柱的外壁包裹着保温材料以减少热损失。20世纪80～90年代，许多学者对这一类型结构的腔体吸收器进行了研究，但当时的腔体吸收器的结构单一，在中温应用中热效率不高，因此，对其的研究很快被搁置了。虽然只是昙花一现，但提出没有真空夹层的腔体吸收器的想法却是为后来腔体吸收器的创新、完善、应用作出了贡献。

近年来线性菲涅尔反射聚光器被提出，与真空管吸收器相比腔体吸收器与其结合更有优势，腔体吸收器的研究又被提到研究热点上。针对不同腔体吸收器，菲涅尔聚光器的设计也不相同。林蒙［10］根据前人在塔式腔体吸收器上的研究进展与不足，提出了出了2种基于腔体吸收器的菲涅尔反射式聚焦型太阳能集热器模型，一种是利用单轴跟踪的线聚焦反射镜聚光器，腔体吸收器为三角形结构，腔体内壁上安装紧密排列的铜圆管;另一种利用双轴跟踪的点聚焦菲涅尔反射镜聚光器，采用圆弧形2次聚光装置将光线聚集于安装在地面上的圆锥空腔腔体吸收器内。2种模型分别有各自的优缺点(见表1)。

2种模型的都有由于模型规模较小，反射镜数量不够，致使吸收器有端部损失，其中三角形腔体吸收器的聚光装置为单轴跟踪，跟踪精度不够，端部损失更明显，尤其是在冬季。但是在大规模的应用中，由于反射镜片更多，加上不可避免的实际跟踪和加工误差，致使吸收器的端部损失会减小，达到可忽略不计的效果。同时从结构上看，三角形腔体吸收器的结构模型更为简便。

表1 两种腔体接收器的优缺点

从试验与理论计算可以得出2种腔体吸收器的最大光学效率即太阳光线垂直入射在反光镜上时，分别为77.46%和65.00%，试验结果与理论结果误差不大。通过理论计算得出集热器效率与腔体吸收器工作温度，热损系数有关，其中腔体吸收器的性能越优良，能达到的最大滞止温度，且温度越高，则热损失越小，集热器的效率越高。并得出集热器熵产最小即集热器的最佳运行工况时腔体吸收器的运行温度就是集热器最佳运行温度，此时集热器的最佳运行温度为环境温度和滞止温度的几何平均值。此模型是基于无跟踪误差，腔体被看作是完全黑体，表面温度一致均匀，腔体外表面温度与环境温度完全一致的理想条件下建立的模型，计算结果与实际有偏差，但基本能反应腔体接收器与线性菲涅尔集热器的线性关系。

研究以腔体接收器作为吸收器的线性菲涅尔集热器中热损失中辐射热损失占主导地位，而腔体吸收器的底端开口处为主要的热损失通道。腔体吸收器底端开口处通常分为无盖板和有盖板。S.Flores Larsen［11］研究用于线性菲涅尔反射聚光器的空腔梯形腔体和内部有一套管的腔体腔体接收器的热量损失。测量显示梯形腔体的上部的和下部对流区稳定度相对稳定，91.00%左右的热转移发生在底部的透明窗口处，腔体吸收器的热损系数与其内部的平均温度成正相关。R.Manikumar［12］通过数值模拟与与试验研究分析得出结合线性菲涅尔作为聚光器的梯形腔体吸收器有盖板的较之无盖板的总热损失系数更小。戴贵龙［13］等人建立了具有石英窗口的太阳能高温吸收器的能量传递与转换模型，分析得出吸热腔温度分布对热转换效率有显著影响，腔体内温度分布峰值离太阳入射窗口越远，效率越高。其他条件相同时，增大几何聚光比，将地热转换温度，提高壁面吸收率可提高热转换效率。图3、4显示腔体吸收器不同的最佳运行温度下，盖板的最佳透过波长对腔体吸收器的效率影响，不同的最佳运行温度与盖板的最佳透过波长的关系。

2.1 腔体接收器热损失途径与解决方案的研究 由上分析得，中温段无盖板较之有盖板时腔体吸收器的热转换效率更高;高温段，腔体吸收器有盖板时热转换效率更高。温度越高，盖板的最佳截止波长越小，可见盖板主要抑制的是长波长光线，短波长可以透过。在盖板材料的选择时应根据腔体吸收器内部的平均温度选择不同最佳截止波长的盖板，如果一味选择截止波长大或小的材料制作盖板，都不能使腔体吸收器的热转换效率达到最佳。

2.2 腔体接收器的几何结构与热损失的关系 腔体吸收器的几何结构也是影响其热损失的一个主要方面，不同几何结构的腔体吸收器的热损，热迁移因子，效率因子各不相同，这些运行参数与性能指标也是影响集热器参数的重要条件。J Facao［14］等人对运用梯形结构腔体吸收器的线性菲涅尔反射镜太阳能集热器的光学性能以及热性开展了全面研究。得出集热温度从110℃升至285℃时，热损失系数增加了2.96 W/(m2K)。谢文韬［15］提出了基于线性菲涅尔反射镜聚光器的8种结构的腔体吸收器，三角形、圆弧形、半圆形、长方形、正梯形、反梯形、复合梯形、曲面形，利用TracePro软件的光线跟踪，模拟出8种腔体吸收器内部的光线及热量分布，得出的能量分布图。研究结果显示，采用圆弧形腔体吸收器、长方体形腔体吸收器、正梯形腔体吸收器、复合梯形腔体吸收器和曲面形腔体吸收器的线聚焦菲涅尔透镜太阳能集热器具有较好的光学性能，从腔体开口射入的光线经过腔体内壁面的多次反射和吸收，没有光线逸出腔体吸收器，而其他3种线聚焦腔体吸收器或多或少有光线从腔体开口处逸出。但是，考虑腔体吸收器内的能量分布，则等边三角形腔体吸收器和圆弧形腔体吸收器内部的能量分布比其他6种腔体吸收器要均匀，能够得到较好的热性能。圆弧形腔体吸收器与三角形腔体吸收器相比，内部能量分布出现了断层，能量密度不如三角形的高，综合考虑采用三角形的线聚焦菲涅尔反射镜太阳能集热器最优。但作者设计的8种结构类型的腔体吸收器开口宽度都相等，均为60 mm，焦距均为1 500 mm，腔体吸收器内壁选择性涂层材料的吸收率，反射率为也均相同，且只是进行了光学模拟，没有进行实物试验，所得结论过于狭隘，不够有说服力。X wei［16］对8种不同结构类型的腔体吸收器进行计算与试验验证，计算结果与试验结果一致，对线聚焦菲涅耳透镜的太阳能集热器，三角形空腔接收器显示出最佳的热性能。运行温度为180℃时最高的试验的散热系数约为0.805 W/(m2K)。

经过国内外多位学者的研究，基本可以确定腔体接收器的几何形状，但从几何结构考虑，具有三角形结构的腔体接收器较之其他结构的腔体具有最优的热性能。虽然谢文韬在模拟时发现了三角形腔体吸收器的顶端由于被遮挡，不能接收到太阳光线，但是没有再对其进行改进优化，后来的研究者都没考虑到这个问题。

2.3 腔体吸收器内部结构的研究 另外，腔体吸收器的内部结构又分为管簇式和环套式。Barra［17］等人设计并研制了由腔体式吸收器和槽型抛物面聚光器构成的集热器。由于其管簇与腔体内壁不相连，而且腔体开口对管簇的视角系数较小，因此大部分聚焦后的阳光直接照射到腔体内，使得内壁温度较高，热损较大。针对该点不足，侴乔力［18－20］在Barra的吸收器基础上提出了使管簇和内壁紧密连接的方案，将腔体作为管子的翅片。李进等［21］建立了一种环套结构腔体式吸收器，环套结构的腔体式吸收器内部的流道由半径不同的两个圆围成。管簇式和环套式腔体接收器收器的单位长度热损失均随着工质平均温度增大而上升，真空管的热损失大于管簇结构，管簇结构又大于环套结构，两种腔体吸收器截面均为圆形结构，其光学效率相同，真空管光学效率较高，因此以真空管接收器作为吸收器的集热器效率比腔体接收器作为吸收器的集热器效率高。翟辉［22］对采用真空管式吸收器、三角形、正方形等3种腔体吸收器的线聚焦非涅尔透镜太阳能集热器进行了研究，试验表明:当同等条件下水作为传热工质时，采用真空管式吸收器和三角形腔体吸收器集热温度90℃时，真空管吸收器效率为50%，腔体吸收器则低于40%。分析得知在低温域由于腔体吸收器热损失较大，集热效率低于真空管。同时发现采用水作为导热介质比采用油等其他比热容高的导热液体的热损小，效率更高。

M.Lin［23］等利用简化的光线追踪技术来优化的线性菲涅尔集热器系统的光学设计模型，利用CAD模拟计算，考虑到热传导，对流与辐射的热损失，结果得出腔体接收器热表面温度从90→150℃时，腔体吸收器的总热损系数上升［6.25→7.52 W/(m2K)］，热 效 率 从 45% 降 到 37%。Singh［24］等人研究了采用梯形形结构腔体吸收器的线性菲涅尔集热器，其吸收面采用方管和圆管束2种形式，试验分析得知，圆管束吸热面集热效率要高于方管吸热面。J He［25］等人利用光线追踪和几何光学分析，改变菲涅尔反射镜面宽度和吸收器高度，进而对太阳能聚光器光学性能影响因素进行全面理论研究，切实对吸收器的优化设计作出了一定贡献。

总结国内外学者对基于菲涅尔聚光器的腔体接收器的研究发现，腔体接收器的光学效率不如真空管接收器高，但其开口有效温度的降低使得热损失也随着降低，有较好的热稳定性。在相同工况下，集热温度低于200℃，集热效率与真空管吸收器效率接近;集热温度大于230℃时，集热效率大于真空管［15］，在实际应用中性价比也更高。

3 线性菲涅尔聚光器腔体吸收器应用存在问题及改进建议

3.1 线性菲涅尔聚光器腔体吸收器应用存在的问题 线性菲涅尔聚光器腔体吸收器中的涂层对效率影响很大，集热效率与涂层太阳能吸收率成正相关，与涂层热辐射率成负相关，然而吸收器涂层吸收率盲目增大会提高应用成本。实际应用中，一味追求吸收率与热辐射率的高比值，增加集热器的集热效率，却忽略了吸收器涂层吸收率值越大，热辐射率小，对涂层工艺技术要求越高，涂层生产成本越高，致使投入与产出成反比，得不偿失［26］。

利用热损失测量试验，三角形腔体吸收器与正方形、圆弧形腔体相比，在90℃中温、150℃高温中都表现出较小的热损失。然而，实际应用中，三角形腔体结构却存在一些问题:第一圆管与吸收器壁面之间利用焊锡连接，致使流体与吸收器间换热能力降低、同时焊锡材料存在不稳定性、高温状态易融化问题;第2，三角形腔体吸收器内壁两侧保温层材料厚度较薄、两侧方向面积较大、易造成热损失;第3，三角形腔体内部的导热管之间会产生遮挡，底部的圆管遮挡了顶部圆管，使其接受不到太阳光线，这样就造成了圆管间热量分布不平衡，甚至顶部的温度过低。

3.2 线性菲涅尔聚光器腔体吸收器应用与改进建议

(1)科学合理选用腔体吸收器涂层。线性菲涅尔聚光器腔体吸收器涂层选用时主要从3方面考虑，性价比、工艺、集热效率。根据低温、中高温等不同集热器选择不同涂层。实际应用时，秉持科学、合理的原则，保证吸收器工作状态具备高效率、高稳定性。

(2)优化腔体结构、改变吸收器深度。为切实解决三角形腔体吸收器存在的结构问题，应在保证集热性能、减少热损失的基础上，对三角形腔体吸收器结构进行改进，主要措施如下:利用三角形、正方形吸收器并对其结构进行优化，通过改变三角形定焦大小以及腔体深度、结构比例、优化内部，使腔体内部温度分布更加均匀，从而提高三角形吸收器光学性能，热转化效率，有效减少热损失［27］。

(3)工业生产应用。线性菲涅尔反射镜腔体吸收器的诸多优势已经显现出来，但还都是处于探讨研究试验阶段，国家应鼓励企业对其进行大型规模的研究，以求最终投入工农业使用，大规模的研究也能有效降低腔体吸收器的端部损失，提高系统的综合效益。

4 结论

通过线性菲涅尔聚光器的腔体吸收器发展现状展开深入探究，在中低温应用中，线性菲涅尔聚光器采用腔体吸收器，可以有效降低工艺成本、克服玻璃真空集热管接收光口窄和成本高的缺点。线性菲涅尔聚光器实际应用中三角形腔体吸收器与正方形、圆弧形等腔体相比，在90℃中温、150℃高温中都表现出较小的热损失，腔体内部的热量分布也更均匀，对腔体吸收器的使用年限有一定提升。在涂层的选择上也应该因地制宜，不同类型，不同温度段的腔体接收器涂层各不相同。通过大量的模拟，试验研究，未来线性菲涅尔聚光器腔体吸收器在工农业上的应用必将有辉煌的前景。

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