论文摘要
菲涅尔太阳能集热器主要分为菲涅尔透镜太阳能集热器和菲涅尔反射镜太阳能集热器，根据聚光方式的不同有点聚焦和线聚焦两种形式。菲涅尔透镜是透射式聚光系统的一种聚光元件，由带尖劈的同心槽组成，尖劈角度由透镜中心到透镜边缘逐步变化，以形成对入射到不同半径处的入射太阳光线产生不同的折射偏角而实现光线汇聚，聚光光斑通过位于焦斑处的太阳能吸收器实现太阳能光热转换；菲涅尔反射镜太阳能集热器是指利用线聚焦反射镜阵列将太阳光汇聚到位于焦点处固定的接收器，从而实现太阳能光热转换。菲涅尔太阳能集热器在聚光光伏发电、中高温太阳能热利用、太阳能制冷空调和太阳能热发电等领域具有广泛的应用前景。本文针对菲涅尔聚光器的聚光特性，研究了与之相匹配的非真空的腔体吸收器，对采用不同结构腔体吸收器的菲涅尔太阳能集热器进行了理论与实验研究，具体工作如下：首先，对采用腔体吸收器的聚光太阳能集热器的光热转换过程进行热力学分析，得出了在一定几何聚光比、光学效率、大气质量和大气透明度等条件下聚光太阳能集热器的优化集热温度和腔体吸收器的吸热效率。通过建立腔体吸收器的理论模型，利用热力学第二定律得出了采用腔体吸收器的聚光太阳能集热器完整的效率表达式，利用该表达式得出的效率值能够反映出此类聚光太阳能集热器的集热性能，同时可以对腔体吸收器进行优化，在高倍聚光条件下实现高效太阳能光热转换。对于采用腔体吸收器的线聚焦太阳能集热器，在理论最大几何聚光比条件下，其最优的集热温度约为775K，效率约为0.50；对于采用腔体吸收器的点聚焦太阳能集热器，在理论最大几何聚光比条件下，其理论上最优的集热温度约为2500K，效率约为0.84。其次，对菲涅尔太阳能集热器的光学性能进行理论研究，导出了菲涅尔透镜和菲涅尔反射镜几何聚光比的理论表达式。建立了采用八种点聚焦腔体吸收器和八种线聚焦腔体吸收器的菲涅尔太阳能集热器的理论模型，通过仿真表明：对于点聚焦菲涅尔透镜太阳能集热器，当点聚焦菲涅尔透镜的尺寸为1000mm×1000mm×3mm，吸收器开口直径为60mm时，圆锥体型腔体吸收器（顶角60°）具有最好的光学性能，其理论光学效率为89.95%，光学聚光比为318.12；对于线聚焦菲涅尔透镜太阳能集热器，当线聚焦菲涅尔透镜的尺寸为400mm×320mm×2mm，吸收器开口宽度为80mm时，三角形腔体吸收器（顶角60°）具有最好的光学性能，其理论光学效率为81.15%，光学聚光比为4.06；对于线聚焦菲涅尔反射镜太阳能集热器，当单排菲涅尔反射镜的尺寸为6000mm×300mm×2mm，吸收器开口宽度为60mm时，圆弧形腔体吸收器具有最好的光学性能，其理论光学效率为81.67%，光学聚光比为32.67，但三角形腔体吸收器内部的能量分布比圆弧形腔体吸收器内部的能量分布均匀，且三角形腔体吸收器内壁面的能量密度要高于圆弧形腔体吸收器和其它形式的线聚焦腔体吸收器，因此，采用三角形腔体吸收器的线聚焦菲涅尔反射镜太阳能集热器具有较好的热性能。此外，还对菲涅尔太阳能集热器的光偏特性进行了分析，结果表明：对于采用圆锥体型腔体吸收器的菲涅尓透镜太阳能集热器，其跟踪误差应该控制在±1.8°之内；对于采用三角形腔体吸收器的菲涅尓透镜太阳能集热器，其跟踪误差应该控制在±4.5°之内；对于采用三角形腔体吸收器的菲涅尓反射镜太阳能集热器，其跟踪误差应该控制在±8.0°之内，这样才能保证上述三种菲涅尔太阳能集热器的焦斑能够落在腔体吸收器之内。第三，分别搭建了菲涅尔透镜太阳能集热器和菲涅尔反射镜太阳能集热器的实验装置，对菲涅尔太阳能集热器的集热性能进行了实验测试，得到了菲涅尔太阳能集热器的空晒性能参数、瞬时效率曲线和总热损失系数，研究结果表明，对于点聚焦菲涅尔透镜太阳能集热器，采用圆锥体型腔体吸收器，集热器的空晒性能参数约为0.55(m~2·K)/W。对于采用圆锥体型腔体吸收器的点聚焦菲涅尔透镜太阳能集热器，集热温度最高可达250℃，光热转换效率约为35.40%，总热损失系数约为255W/(m~2·K)。对于线聚焦菲涅尔透镜太阳能集热器，采用三角形腔体吸收器，集热器的空晒性能参数约为0.33(m~2·K)/W。对于采用三角形腔体吸收器的线聚焦菲涅尔透镜太阳能集热器，集热温度最高可达180℃，光热转换效率约为28.70%，总热损失系数约为50W/(m~2·K)。对于线聚焦菲涅尔反射镜太阳能集热器，采用管束三角形腔体吸收器，其空晒性能参数约为0.36(m~2·K)/W，当集热温度为90℃时，集热器的光热转换效率约为45.20%，总热损失系数为8W/(m~2·K)；集热温度为120℃时，集热器的光热转换效率约为40.10%，总热损失系数约为12W/(m~2K)；当集热温度为150℃时，集热器的光热转换效率约为36.60%，总热损失系数约为17W/(m~2·K)。与采用三角形腔体吸收器的线聚焦菲涅尔透镜太阳能集热器的总热损失系数相比，在相同的集热温度范围内，采用管束三角形腔体吸收器的线聚焦菲涅尔反射镜太阳能集热器的总热损失系数较小，这主要是因为前者的吸收器开口朝上，对流损失较大，后者的吸收器开口朝下，有利于抑制对流热损失，因此总热损失系数较小。在给定条件下，这三种菲涅尔太阳能集热器的集热性能已经超过真空管式太阳能集热器，只要控制好热损失，其集热性能还有较大的提升空间。最后，在理论分析和实验研究的基础上，导出了采用腔体吸收器菲涅尔太阳能集热器的热迁移因子理论表达式，并对采用八种点聚焦腔体吸收器，八种线聚焦腔体吸收器和三种改进的线聚焦三角形腔体吸收器的菲涅尔太阳能集热器的热性能进行了对比分析。优化分析的结果表明，对于采用圆锥体型腔体吸收器的菲涅尔透镜太阳能集热器，存在最优的腔体开口直径、吸收管内径和腔体顶角，在本文的研究条件下，分别为80mm，15mm和60°，为了获得更好的热性能，其几何聚光比应大于等于500，吸收管与传热流体的对流换热系数应大于1200W/(m~2·K)，总热损失系数应小于100W/(m~2·K)；对于采用三角形腔体吸收器的菲涅尔透镜太阳能集热器，存在最优的腔体开口宽度、吸收管内径和腔体顶角，分别为50mm，18mm和60°，为了获得更好的热性能，其肋片效率应大于0.80，几何聚光比应大于等于55，吸收管与传热流体的对流换热系数应大于600W/(m~2·K)，总热损失系数应小于25W/(m~2·K)。基于优化结果，提出了采用三种改进的线聚焦三角形腔体吸收器的菲涅尔透镜太阳能集热器，并进行了理论与实验研究，结果表明，采用方管结构的三角形腔体吸收器，其效率因子和热迁移因子的实验相对优化率分别为7.21%和6.67%；采用管束结构的三角形腔体吸收器，其效率因子和热迁移因子的实验相对优化率分别为5.89%和5.95%；采用一体化管板结构的三角形腔体吸收器，其效率因子和热迁移因子的实验相对优化率分别为8.41%和7.89%。因此，在系统运行压力不太高的情况下（如低于0.20MPa），可以采用方管结构的三角形腔体吸收器；当系统运行压力较高的情况下（如大于0.30MPa），可以采用管束结构的三角形腔体吸收器或者采用一体化管板结构的三角形腔体吸收器，从而提升系统的集热性能，满足中高温太阳能光热转换应用的要求。