建筑整合式太阳能微型聚光器集热性能测试与分析

吴 俊，庞 波，方 鑫，赵 畅，张一帆，安 巍

(同济大学机械与能源工程学院，上海 201804)

中国是一个能耗大国，每年能耗约占全世界的1/3，其中建筑能耗占比约为45%[1].在我国致力于达到“双碳”目标的背景下，将清洁能源应用于建筑成为了降低建筑能耗的重要途径之一[2-3].太阳能作为传统的可再生清洁能源，具有可再生、普及广、绿色清洁的优点，将其与建筑整合可有效降低能耗.但目前的城市建筑多为高层建筑，仅靠建筑屋顶的面积已经无法满足大部分住户安装太阳能热水系统的需求[4-5]，导致目前传统的太阳能热水系统存在安装位置受限，集热效率低下等缺陷，难以应用在高层建筑中.若要将太阳能系统与高层建筑有效整合，则需要通过技术变革来提升集热器的性能.聚光技术在保持集热面积不变的同时，通过缩小集热器的散热面积，降低系统的热损失，从而有效提高太阳能系统的性能.

然而，目前广泛使用的聚光系统焦距较大，追踪阳光时反射镜具有较大的旋转幅度，无法应用于高层建筑中.因此，将聚光系统轻量化、微型化，使其与高层建筑有效整合对降低建筑能耗有着重要意义.Li等[6]指出，与传统集热器相比，与建筑整合的太阳能聚光器可以安装于建筑的各个部位，并能够为住户提供更高的工质温度，为建筑用能提供了更多的可能性.Yang等[7]设计了一种微抛物线槽的聚光器，由于其内部跟踪系统紧凑，该聚光器质量轻，厚度小，很容易与屋顶和外墙相结合.此外，Tanzeen等[8]提出了一种使用线性菲涅尔反射结构的聚光器，该聚光器可以与建筑屋顶很好的结合.然而，遗憾的是，对于建筑整合微型聚光器的研究多为聚光器本身集热性能的研究，已有研究并没有测试建筑整合微型聚光器在建筑外墙不同安装条件下的性能.因此，本文基于线性菲涅尔微型聚光技术，设计了一种能够有效与建筑整合的聚光器.通过分别对聚光器进行光学模拟及户外集热性能实验研究，分析了其在不同的建筑整合安装条件下的光学效率和集热效率，并与平板集热器进行了对比测试.

1 聚光器设计

线性菲涅尔聚光器示意图，如图1所示.所设计的聚光器主要由反射镜场、集热管和支撑框架组成.聚光器的整体尺寸为(1 529×430×160)mm，其中反射镜场由11根宽度为30 mm，长度为1 500 mm的反光镜组成，每个反射镜(称为镜元)之间的间距为5 mm.为了保证聚光器在高层建筑安装环境下有较低的风阻，将聚光器的焦距设计为135 mm.

图1 线性菲涅尔聚光器示意图

由于设计的聚光器中太阳跟踪系统为单轴跟踪系统，因此在设计镜元跟踪倾角时考虑2维平面即可.如图2所示[9]，太阳入射光线在二维平面上的投影与水平面的夹角为γ，镜元与水平面的夹角为βn，反射光线在二维平面的分量与镜元的夹角为λn.设定镜元逆时针旋转时βn为正，反之为负.根据几何关系，可知γ为[9]

(1)

公式中：αs为太阳高度角；γs为太阳方位角.定义镜元逆时针旋转时为正，反之为负，则γ在上午时为负，下午为正，由此可得γ为[5]

(2)

计算λn时，假设每个镜元都能将阳光准确聚集到集热管上.由此，则所有的反射光线在二维平面上的分量与镜元的夹角λn为定值，因此，只需确定集热管与镜场平面的垂直距离H以及每个镜元离集热管轴线的水平距离Qn，即可根据下式求出λn[9]：

(3)

公式中：H为焦距，mm；Qn为第n个镜元中心与焦点之间的水平距离，mm.求出γ和λn后，根据图2，即可得出每个镜元的跟踪倾角的计算公式.跟踪倾角βn在不同时刻的计算公式为

当地时间为上午时，

(4)

当地时间为下午时，

(5)

图2 线性菲涅尔聚光镜场设计示意图

在保证镜场能够精确反射阳光的前提下，让聚光器准确地追踪不同时刻的太阳位置也是保证聚光器性能的重要因素.因此，需要一种轻量紧凑的传动系统以保证每个倾角能转动相同的角度.本聚光器的镜元传动系统采用单个步进电机驱动的连杆式同步传动机构，只需要单个步进电机旋转驱动就可带动所有镜元转动相同的角度.上述同步传动系统具有成本低、质量小、跟踪精度高等特点，可以在小范围内准确调整镜元倾角将太阳光线汇聚至集热管.

2 光学模拟及分析

在高层建筑中，根据不同的使用环境，聚光器会有不同的安装方式.当聚光器应用于住户阳台时聚光器的安装方式可以采用横向安装，应用于建筑外墙或屋顶时可以采用垂直安装，聚光器横向和垂直安装的使用场景如图3所示.为了探究聚光器的放置方式对聚光器全天光学性能的影响，本文通过蒙特卡洛法对聚光器进行光学模拟.聚光器的光学模型由反射镜，集热管和支撑框架组成，相应结构的几何参数和材料属性如表1所示.光源位置由上海冬至日不同时刻的太阳高度角及方位角确定，以上海冬至日的太阳角确定光源位置的原因为：冬至日上海的太阳高度角达到最小值，聚光器所能获得的阳光也最少，可以了解聚光器在最差工况下的光学性能[10].光源类型为直射平行光束，光线数量为400 000，总光通量为1 000 Watts.聚光器的横向安装与垂直安装的光线踪迹图以及光学模拟结果如图4所示.

图3 不同使用场景下的聚光器安装方式

表1 聚光器各个结构的光学特性

图4 聚光器的光学模拟结果

聚光器的光学模拟结果如图4所示，横向安装的聚光器的光学效率在正午12时时达到最高，为79.8%，而此时垂直安装的聚光器的光学效率为73.6%.在其他时刻，垂直安装的聚光器的光学效率高于横向安装的聚光器.此外，垂直安装的聚光器的日均光学效率为50.9%，横向安装的聚光器日均光学效率为47.9%.造成这种现象的原因可能是由于在正午时刻，太阳位于聚光器的正前方，横向安装的聚光器的内部框架造成的遮挡少于垂直安装的聚光器，因此，正午横向安装的聚光器的光学效率高于竖向安装的聚光器；但在其他时刻，由于横向安装的聚光器跟踪的是太阳高度角，垂直安装的聚光器跟踪的是太阳方位角，当太阳不断移动时，垂直安装的聚光器能够更加精确地跟踪太阳的位置，可以获得更多的阳光.而横向安装的聚光器只能跟踪太阳方位角，除了正午时分能够获得较多的太阳光线以外，在其余的时间段无法准确地跟踪太阳的位置，因而无法获得更多的阳光.通过以上分析可以发现，垂直安装的聚光器的光学性能要优于横向安装的聚光器.

3 聚光器集热性能测试

图5 聚光器户外测试实验

为了测试菲涅尔线性反射聚光器的性能，我们搭建了以聚光器作为集热器的热水系统并在户外进行测试.实验地点位于同济大学嘉定校区(东经121.2°，北纬31.3°)，测试实验在晴天进行，实验开始和结束时间分别为上午9时和下午4时，时长为7 h，分别进行横竖聚光器的性能对比实验和聚光器与商用平板热水器的性能对比实验.本文的实验测试虽然在天台进行，但是其测试过程有别于通常的太阳能集热系统采用的大倾角平放测试方式，而是选择接近于建筑物外墙安装的方式，可以近似认为实验测得的聚光器的集热性能与聚光器安装于建筑外墙的集热性能接近.聚光器的集热面积为0.495 m2，集热管为真空管，长度为1 800 mm.实验测试时聚光器南北放置，倾斜角度为15°，依据不同的实验内容更换不同的放置方式，如表2所示.

表2 测试仪器和传感器型号

集热系统实验如图5所示，在集热管的入口和出口处设置K型热电偶传感器，并采用型号为Applent AT4532的测温仪实时监测和记录集热管入口和出口处水温的变化.太阳辐射强度由JTBQ-2总辐射表测量.实验过程中总辐射表与聚光器倾斜角度均为15°，以保证测得的辐射值为镜场实际反射到集热器中的太阳辐射值.实验中采用的循环泵的流量为4 L/min.聚光器的集热性能用聚光器的瞬时热效率和日平均热效率表征.系统的瞬时集热效率可按下式计算[11]

(6)

公式中：η为聚光器的瞬时热效率；Ac为集热器的有效集热面积(m2)；G为太阳辐照度(W/m2)；m为质量流量(kg/s)；Cp为工质比热容(kJ/kg·℃)；ΔT为聚光器进出口温差(℃).系统日平均集热效率的计算方法为[11]

(7)

公式中：ηd为聚光器的日平均效率；ρw为水箱内工质的密度(kg/m3)；V为水箱内工质的体积(m3)；te为实验结束时工质的温度(℃)；tb为实验开始时工质的温度(℃)；H为集热器集热面上所获得的太阳辐照量(MJ/m2).

4 结果与分析

4.1 聚光器不同安装方式的性能对比

由光学模拟结果可知，垂直安装的聚光器光学性能高于横向安装的聚光器.为了验证光学模拟的结果，我们将聚光器以不同的安装方式进行了对比实验.由于实验条件限制，无法在同一天进行不同安装方式的性能对比实验.为此，垂直安装的实验与横向安装的实验分为两天进行.为了最大程度缩小实验条件对对比实验的影响，我们确保了横向安装实验当天(2021年6月22日)的辐射日累计(11.014 MJ/m2)和室外温度(24.7 ℃～31.3 ℃)与垂直安装实验当天(2021年6月5日)的辐射日累计(11.004 MJ/m2)和室外温度(24.2 ℃～30.8 ℃)近可能相似.太阳能辐照度、日均集热效率和水温变化如表3所示，不同安装方式的聚光器瞬时集热效率对比如图6所示.

表3 聚光器横向安装与垂直安装的集热性能对比

由图6可知，跟踪太阳方位角的垂直安装的聚光器和跟踪太阳高度角的横向安装的聚光器在瞬时集热效率上具有相似的趋势.除个别时间点横向安装的聚光器的瞬时集热效率高于垂直安装的聚光器外，大部分时间内垂直安装的聚光器的集热性能高于横向安装的聚光器.横向安装聚光器的日均集热效率为37.1%，垂直安装聚光器的日均集热效率为41.1%.由此，可以认为垂直安装聚光器的性能要高于横向安装聚光器.

图6 不同安装方式的聚光器热效率随时间的变化

4.2 聚光热水系统与平板热水器的对比

为了对比聚光器与平板式集热器的性能，我们将一台集热面积为1.85 m2的平板式集热器布置于聚光器旁，聚光热水系统的水量为14.4 kg，平板热水系统的水量为36.2 kg.性能对比实验的日期为6月5日，即先前不同安装方式对比实验中垂直安装实验的实验日期，实验当天的环境温度为24.2 ℃～30.8 ℃，辐射日累计为11.004 MJ/m2.

图7 平板集热器和聚光器的工质温度对比图8 平板集热器和聚光器的热效率对比

太阳能辐照度、集热效率和水温随时间变化的曲线分别如图7和图8所示.实验当天上午的太阳辐照度约为400 W/m2，中午太阳辐照度在500 W/m2以上，最高可达605 W/m2.实验开始时，由于平板集热器在实验开始前已经接收了一段时间的太阳辐射，使实验开始时进口水温和出口水温之间有一定的温差，导致在实验开始时平板集热器的瞬时热效率极高，最高可达77%.随着实验的进行，平板集热器的集热效率逐渐下降.下午3时之后，由于没有阳光跟踪装置，平板集热器的集热面获得的太阳辐射能少于微型聚光器.同时，由于平板集热器的散热面积较大，导致平板集热器的工质温度在实验最后一个小时由63 ℃下降至59 ℃.

对于聚光集热系统，实验开始时聚光器的瞬时集热效率较高，可达到60%以上，随着实验的进行，集热效率逐渐减小.从下午12时至下午2时，由于太阳辐照度的增加，聚光器的进出口水温温差也逐渐增大.实验结束时，聚光集热系统的工质温度为57 ℃，日均集热效率为41.1%，而平板热水器的日均集热效率经计算仅为30.3%.由以上分析可知，聚光器的集热性能要高于平板集热器.

5 结 论

本文设计了一种可与高层建筑相结合的线性菲涅尔聚光器，通过对聚光器进行光学模拟分析和户外热性能对比测试，得到如下主要结论：

(1)聚光器的安装方式对其光学效率和集热效率有较大影响.根据光学模拟与相应的实验的结果，垂直安装的聚光器的日均光学效率比横向安装的日均光学效率高3%，户外测试的垂直安装聚光器的日均集热效率比横向安装聚光器的日均集热效率高4%.由此可知垂直安装的聚光器的光学和集热性能均优于横向安装的聚光器.

(2)本文设计的聚光器的日均集热效率为41.1%，比平板集热器的日均集热效率高11%.

上述结果表明：在与建筑外墙整合的安装条件下，本文提出的微型聚光器性能优于现有的平板集热器，在城市高层建筑的太阳能利用中具有较好的应用潜力.