聚光型集热器

1.基本原理

聚光型太阳能集热器就是利用对太阳光线的反射将较大面积的太阳辐射聚集到较小面积的吸热层上，以提高对太阳能的接收。由于太阳相对于地面观测点有一个32°的角度，即太阳张角，对太阳的聚集会形成一个太阳像，而非一个点。聚光型太阳能集热器的关键部件是聚光镜，它的作用就是在吸热层形成一个太阳像。

表征聚光镜的重要参数是聚光比。有两个物理意义上的聚光比：几何聚光比或面积聚光比和通量聚光比。面积聚光比Ca定义如下：

式中，AA和AR分别是聚光器开口面积和吸热层吸热面积。

通量聚光比是开口处的太阳光辐射与吸收层接收到的太阳辐射。对于太阳能热利用，面积聚光比较常用。从热力学分析可以得知，对于理想的聚光器，最大聚光比受接收半角θc的限制：

对于二维聚光器：

对于三维聚光器：

由于太阳张角为32′（θc＝16′），因此对于二维聚光器最大聚光比Cmax≈200，对于三维聚光器Cmax≈40 000。实际上，设计问题、镜面缺陷、对太阳的跟踪误差以及镜面集尘等原因造成接收角远大于太阳张角，使聚光比大大降低。此外，由于大气对太阳光的散射，造成相当大一部分太阳光线来自太阳盘以外的角度，不能被有效聚集。

具体聚光系统的选择是系统光学和热学性能的折中。吸收层面积应该要求尽量大，以接收最大量的太阳辐射，但是由于聚光集热器吸热层温度较高，热按照温度的4次方辐射损失，因只又希望吸热层表面尽量小，以减少热损失。聚光比也控制吸热层的操作温度。可以推导出，对于非选择性吸收层，最高温度是1600 K。因此，为了降低热辐射损失，采用真空管集热器是一个好的选择。

2.聚光集热器的类型

按照对入射太阳光的聚集方式，聚光器可以分为反射式和折射式。反射式聚光器通过一系列反射镜片将太阳辐射汇聚到热吸收面，而折射式则是将入射太阳光通过特殊的透镜汇聚到吸收面。反射式聚光器的典型代表是抛物线形聚光器，折射式主要是菲聂尔式透镜。此外，还有将透镜与反射结合的聚光方式。聚光集热器的聚光器部分可以设置太阳跟踪系统，调整其方向来获取最大的太阳辐射，也可以调整吸收器的位置，达到系统最优化集热效果。对于较大型的太阳集热系统，聚光器可能较大，这样，调整小得多的吸收器则容易一些。

（1）复合抛物线聚光器。聚光器的设计应该尽量使得它的聚光比接近热力学最大聚光比。理论上，能够到达这个热力学极限的聚光器是双抛物线复合聚光器（Compound Parabolic Concentrators，CPC）。如图2-6所示，CPC由两个不同的抛物线形的放射器组成。左面的抛物线焦点在A，它的轴线和聚光器的对称中轴面形成接收角θc，这种集热器理论上可以达到热力学最大聚光比。

（2）抛物线形聚光器。较常用的系统是平面反射聚光系统的1/4～1/2，其缺点是透镜的加工比平面反射镜片复杂。

图2-6　复合抛物线形聚光集热器原理

3.聚光集热器材料

对于聚光集热器，材料的选择主要考虑以下几点：①反射面的反射率；②盖板材料的透射率；③吸热层的吸收率和反射率。作为反射面材料，由于表面的粗糙和起伏，没有一种材料能做到镜面的全反射。铝的总反射率为85%～90%，银的总反射率在90%左右，可以作为最好的反射表面用于太阳能集热器。当然，如前所述，反射率随入射波长变化，因此一般需要对标准太阳光入射波长积分才能得到一个统一的反射。作为表面镜，铝表面可以通过自氧化而获得保护层；银的保护要困难些。作为盖板材料，与平板集热器类似，需要含铁低，透明的材料，玻璃是最好的选择。聚丙烯酸酯是制备菲聂尔棱镜的恰当材料。作为聚光集热器的吸收层（也是一种选择性涂层），铬黑（Cr Ox）（其吸收率约为0.95，反射率≤0.1）是较好的选择。

4.集热器的性能

（1）平板型集热器的性能。集热器通过吸收太阳辐射，除了一部分被传热介质带出成为有用能量外，一部分通过集热器材料向环境辐射等损失，还有一部分储存在集热器内（图2-7）。评价平板集热器性能的基本参数主要是有用能量收益和效率。

图2-7　平板集热器的热吸收和损失

有用能量效益是单位时间内集热器通过传热介质传出的热量：

式中，Ac为集热器采光面积；G为集热器单位面积的介质质量流量；Cp为传热介质的定压比热容；Tfo和Tfi分别为集热器出口和入口传热介质的温度；It为集热器接收的太阳辐射能；UL为集热器总热损失系数；Tp和Ta分别为吸热层上表面温度和环境温度。

集热器热损失主要包括底部、边缘热损失和顶部热损失。底部和边缘损失通过保温层和外壳以热传导方式传至外部环境。顶部通过吸热板和盖板玻璃之间对流和热辐射以及放射损失。集热效率是衡量集热器性能的一个重要参数，它是集热器有用能量收益与投射到集热器上太阳能量之比。由于太阳投射到集热器的能量随时间变化，因此有瞬间时效率和平均效率之说。瞬时效率是集热器在一天中某一瞬间的性能：

作为更重要的衡量集热器性能的参量，平均效率是一段时间，如一天或更长时间内集热器效率的平均值。一般测量15～20 min时间段的太阳辐射能，对应有用能量，可以得出平均集热器效率：

（2）聚光集热器的性能和平板型集热器类似，聚光型集热器的性能主要以集热器效率和有用热能表征。聚光型集热器效率有以下两个定义：

①基于极热器开口入射太阳辐射的效率：

qout是传热介质带出的有用热量（等于qabs－qloss）。由于集热器开口接收的太阳辐射和测量太阳辐射的仪器开口的不同，聚光型集热器接收的太阳辐射在测量的太阳全辐射I和直辐射Ib之间。如前文介绍，直接辐射受天气影响较大。因此，人们规定，对于跟踪太阳聚光型集热器，应采用直接辐射（ηb）；对固定聚光集热器，则采用全辐射（η），但如果这类聚光集热器可以调整倾斜度，则要用直接辐射。因此，需要标出测量的效率是基于全辐射还是直接辐射。

②基于吸热面上的入射太阳辐射所谓效率，即聚光集热器光学效率：

它和基于集热器开口入射太阳辐射的效率的关系是：

此外，还有以传热流体介质平均温度及流体入口温度表征的集热器效率等。

聚光型集热器的热损失的途径主要是热辐射、对流和传导。对于非选择性吸热层，在较高温度下，辐射是热损失的主要途径。采用选择性涂层可以将辐射损失降低一个数量级。由于需要较小面积的吸热涂层，因此选择性涂层成本不会太高。通过吸热层周围的空气以对流和传导的方式也是不可忽略的，因此，采用真空吸热器结合选择性吸热涂层，如真空管是热利用上较好的方法。