聚光型太阳能空气集热器的发展及展望

林仲祺，谢嘉豪，龙碧莹，杨晚生

(广东工业大学 土木与交通工程学院，广东 广州 510006)

1 引言

聚光型太阳能集热器(又称CPC太阳能空气集热器)是利用边缘光线原理设计成的一种聚光器，该类型的集热器是由Winston[1]最早在1974年提出，利用了光的非成像聚光原理，与成像聚光器对比，其最大优势在于省去了复杂的跟踪装置，在这个基础上，许多学者开始对CPC太阳能空气集热器进行了研究工作。根据接收器的形状可分为平板型、竖版型、圆管型及三角型[2](图1)。

理想型CPC太阳能空气集热器的聚光器形状如图2所示， AD段为抛物线，和抛物线BC关于聚光器的中心轴线对称。点B为抛物线AD的焦点，位于BC上。直线AO和BD分别是抛物线AD和抛物线BC的主轴，直线BD和AC分别与主轴平行，两直线间的夹角就是CPC的最大接收角，即图中的θmax。当直射光线的入射角处于[-θmax，θmax]之间时，该光线经过一次或多次反射后总能达到接收器表面；而当入射角不再这个范围内时，直射光线经过反射后一定会射出聚光器。

2 CPC太阳能空气集热器的研究状况

2.1 对于聚光器结构的研究

与传统的其他聚光系统相比，理想型CPC集热器由于按照边缘光线原理设计，导致其尺寸较大，高宽比过大，镜面面积很大，对于大规模应用的推广不利，出于实际工程的考虑，有些学者对在理想聚光器的基础上进行了更多实验研究。

W R Mcimire[3]分析研究了CPC的截短比和缝隙问题，指出由于CPC上部分的镜面几乎和对称轴平行，截去上半部分后可明显降低其高度，但是聚光比却下降的不明显，在一定范围内对聚光器的高度进行截取，当截取率小于50%时，聚光比的减少量小于10%，大大降低了CPC的耗材。

图2 理想型聚光器的聚光原理

张晓伟等[4]针对CPC集热器的不足，借鉴了平板集热器的结构特点的基础上，设计了一种蛇形复合抛物面集热器，其集热效果相对普通平板式集热器效果更好，集热效率可达到55%以上。

吴青[5]设计了一种基于圆的渐开线方程，结合理想CPC的设计原理，提出了一种ICC型太阳能集热装置，并对其进行了光学和热血性能测试，在实验条件下集热效率可达到50%以上。

郑宏飞[6]分别采用平移、截底、旋转的3种方法对理想CPC进行改造，增大CPC的最大聚光角，并且给出了3种方法中最大聚光角随几何尺寸变化的计算方式。

Yong Sin Kim等[7]通过理论模拟和实验对比研究了沿南北和东西方向放置的CPC真空管热管式的光学效率和集热效率，经过截取后实际聚光比分别为1．12 和1．82，得到S-N和E．W 的光学效率分别为64．7%和68．3%。实验工况下南北放置的CPC的集热效率为36．3%，而东西放置的CPC仍具有40%的集热效率，表明2种方向放置的CPC均具有良好的集热效率。

东南大学的李开创[8]在设计了V 型CPC聚光器，对该新V型CPC热管式真空集热管进行光学性能模拟和 热性能实验研究，结果为集热管的最高瞬时效率为50．4%，最高火用效率为4．5%。

2.2 CPC集热器的理论和仿真研究

由于室外参数不易控制，在室外进行实验时很难保持相应的环境参数不变，为了更好地分析CPC集热器的集热过程，许多学者基于采用理论分析和仿真模型的手段对CPC集热器进行了进一步的研究。

N．Naeen[9]对典型迎风夹角下的CPC集热器进行分析，考虑了吸热管对流场的影响，采用RNG湍流模型对多个迎风夹角与不同风速下进行了二维数值模拟，之后讨论了大型槽式集热器反射器结构的抗风性能以及吸热管表面的对流换热损失。

王志峰[10]采用聚焦影像概念对CPC的光学性能进行分析，得到集热管表面热流分布，建立了整个集热管的三维传热流动模型，分析了非均匀热流对集热管传热的影响。

J.Munoz等[11]采用内螺旋翅片的方式来降低集热管表面由于非均匀热流造成的周向温度差，通过实验和数值分析表明表明增加管内螺旋翅片可以降低了集热管周向温度差和热损失，集热器效率提高，但同时也会引起装置内部流动阻力增加。

蒋常建等[12]对水平及倾斜同心套管环形空间内的换热过程进了数值模拟研究，分析了装置倾角、轴向径向长度比值等特性对集热器换热效果的影响，提出了套管内外径尺寸的最佳比值范围。

S．M．Jeter[13]提出了一种半公式半经验化的计算公式，可以预测CPC槽式集热器接收器表面的能流分布情况，给出了集热器在该表面上的光学积分，并将模拟结果与实验数据做了对比，但该方法数值积分过程复杂，计算量大。

3 CPC集热器的发展与展望

对于所有类型的太阳能集热器，其核心思想始终是使接收器可获得更多来自太阳的热能。

对于CPC集热器的实验和理论分析已经有学者做了大量的研究工作，这些研究工作主要是针对特定形式、特定结构的CPC集热器进行的。在以后的研究中，除了对CPC的结构进行进一步的优化设计，提出更合理更具有代表性的仿真模型，还需要对CPC的材料和接收器的材料进行研究。

对于集热装置而言，高性能的接收器意味着对于太阳辐射具有更高的吸收能力和更少的反射特性。现在工程中接收器常用的选择性吸收涂层经历了从最初的不具有选择性吸收能力的普通黑漆到具有选择性吸收能力的硫化铅、金属氧化物涂料，从黑镍、黑铬涂层到铝阳极氧化涂层等的更新换代过程。

除了选择性吸收涂层，根据选择性吸收原理，接收器的吸收表面材料可分为以下几种类型：多层膜、不均匀粒子膜，表面微孔，具有本征特征的选择性吸收材料。

其中属于不均匀例子膜的金属陶瓷薄膜由于其良好的耐热稳定性及耐湿性被广泛的进行研究，并且通过添加AIN致密介质层来对其进行保护和防腐[14]。

4 结语

由于经济和能源矛盾的日益计划，世界各国都在大力发展可再生能源。太阳能作为优质无污染且储量巨大的能源，如何对其进行更充分的利用越来越受到各界的关注。聚光型太阳能空气集热器在太阳能中低温利用领域的发展迅速，本文对聚光型太阳能空气集热器的研究现状进行了介绍，并且指出了该领域未来需要关注的发展方向。可以预见的是聚光型太阳能空气集热器的发展前景将会越来越广阔。