一种可用于海水淡化的太阳能聚光器的设计

毛书哲 曾维友 陈伟 周小红

摘要：太阳能作为一种可再生的清洁能源，越来越受到世界各国能源环境领域的重视。太阳能光热聚光装置是太阳能发电、太阳能工业供热和民用供热的关键。可用于海水淡化，缓解水资源和能源压力，作为一种太阳能利用技术在未来具有广阔的发展前景。

1 理论基础

太阳能海水淡化过程主要由太阳能聚光器，吸热器，冷凝装置组成，聚光器的作用是将太阳能进行会聚，吸热器的作用是光能转换为热能，冷凝装置的作用是实现海水的淡化过程。在实际应用中，为了更好地利用太阳能，还要加入太阳跟踪装置及储热装置，实验装置结构如图1所示。

2.太阳能聚光器的设计

2.1：现有聚光器的不足

在现有太阳能聚光器设计中，存在的不足有：

（1）因为在碟式聚光器在追踪太阳的过程中，是将发电机安放在焦点处的接受体上，在追踪太阳时，发电机也会跟着一起转动跟踪，这样就致使跟踪系统的负载加重，不利于跟踪系统运行的稳定性和维护。

（2）在焦点出放置接受体，减少了受光面积，并且没有储热装置。

2.2聚光器的设计依据

（1）传统的聚光器将光线聚集在焦点处，本设计利用两次反射将太阳光线导向地面，这样集热器就可以安装在地面，而且可以对热能进行储存。很好的解决了传统碟式系统中因为没有蓄热系统而造成的运行不稳定问题，也可降低光跟踪系统的载重量而降低系统的建造和维护成本。

（2）本项目采用透镜聚焦，用二次反射镜将太阳光线初步会聚和反射回地面，通过透镜聚焦后，聚光比将比传统的菲涅尔系统有很大的提升。同时，二次反射镜的安装精度也可降低，有便于安装和调试。

2.3聚光器的软件设计

本设计采用ZEMAX软件进行仿真设计及优化。设计参数如下：

本设计选择一次反射镜开口直径3000mm，聚光比1300，聚焦点温度800度，作为设计目标，预设的聚光器的结构参数为：

一次反射镜：开口直径3000mm，抛物面，曲率半径3621.4mm；

二次反射镜：开口直径680mm，抛物面，曲率半径724.264mm；

菲涅尔透镜：直径700mm，厚度4mm，螺距0.25，曲率半徑491.59mm；

以抛物面顶点计算，二次反射镜在一次反射镜前方1448.7mm处，菲涅尔透镜在二次反射镜后方1200mm处，系统总长2000mm。

太阳能光热利用中的关键是聚光装置，实验作品设计了一种二次反射一次折射的聚光器，光线经一次反射镜反射后会聚于二次反射镜表面，经二次反射镜反射后，再经过透镜将光能聚焦在吸热器上，设计如图2所示。

2.4 实验结果及分析

实验分析结果如图3所示。

（1）系统的聚光比

从图3中可以看出，在焦平面上，90%的太阳光能集中在半径为30mm的圆内，由此可计算出理论的聚光比：

（2）系统的聚光效率

由此可得出聚焦最高温度可达2100℃。考虑反射镜的反射率和菲涅尔透镜的透过率，可计算出太阳光的聚光效率为（设一、二次反射镜的反射率为94%，菲涅尔的透射率为91%）：

参考文献：

[1]高从堦，陈国华.海水淡化技术与工程手册[M].北京：化学工业出版社，2004.

[2]赵奎文，刘业凤.潮汐能太阳能多效蒸馏海水淡化装置的模拟与测试[J].制冷技术，2008（2）：17-21.

[3]李蛟.太阳能在海水淡化产业中的应用与研究进展[J].水处理技术，2009.

[4]林晓阳.《ZEMAX光学设计超级学习手册》[M].北京：人民邮电出版社.2014.

[5]黄振永，卢春莲，俞建杰等基于ZEMAX的光学设计教程[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社.2013.