基于线性菲涅尔反射聚光的接收器优化研究(编辑修改稿)

基于线性菲涅尔反射聚光的接收器优化研究(编辑修改稿)内容摘要：

度分布不均匀；为了尽可能增大聚光倍数 ,塔式系统需要众多定曰镜围绕中心塔建 立 ,占地面积巨大 ,并且每个定日镜需要单独二维控制 ,控制系统极其复杂；菲涅耳太阳能聚光器虽然价格便宜 ,但是目前难以做成单块大面积的产品 ,且聚光均匀性也较差。 而聚光光强的均匀性对聚光光伏发电效率影响十分强烈 ,光强分布不均会造成弱光强照射处的光电池反而变成负载 ,导致电能内耗并引起温升等严重问题太阳福射本身是立体角约为的近似平行光 ,其直射辐射能流密度分布均匀 ,通过平面镜反射太阳直射光可以获得能流分布均匀的光斑。 黄国华 [37]等设计了一种利用方形玻璃镜组成的阵列结构的平板型成像型聚光器 ,可以获得能流分布均匀的焦平面 ,但由于釆用相同大小的玻璃镜且每一块的角度均不同 ,因此焦斑形状不规则组装调试复杂。 江守利 [38]等提出了一种折平板式平面玻璃镜反射聚光系统 ,可以获得均匀的能流密度。 线性菲涅耳太阳能聚光热发电技术以其特有的优点得到了越来越多的关注，用其进行太阳能热发电正在逐渐得到大规模的应用 [39]。 然而，目前并没有详细的关与 LFR 技术的光学聚光理论，所以，本章首先利用几何矢量法，经过简单的几何推导，计算出线性菲涅尔反射镜的旋转倾角，用以菲涅尔反射镜的跟踪控制，以使目前的太阳位置算法得到的太阳高度角与方位角能直接用于 LFR 特 有的单轴反射定位跟踪控制，控制系统将太阳高度角、方位角代入旋转倾角计算公式，用计算结果控制电机将镜元旋转到位，使太阳入射光反射到线性焦点上（接收器所在位置）。 然后利用矢量法，导出适用于 LFR 的入射角、反射位置、跟踪倾角，反射光方位角、高度角等有关角度、位置的计算公式，可方便镜场的接收辐射量计算、遮挡计算、跟踪计算、安装尺寸优化等问题的解决，并利用太阳位置矢量算法，结合公式，计算了各量的变化情况，用图示方法明确了该类系统的运动及光学基本特性。 第 2章 线性菲涅尔太阳能反射聚光器理论分析 8 线性菲涅耳聚光系统跟踪倾角几何矢量算法 LFR跟踪倾角算法 线性菲涅尔（ LFR）聚光器为单轴跟踪，吸收器固定不动，需要线性菲涅尔反射镜精准的跟踪太阳运动轨迹移动，因每一个镜元都是独立的跟踪系统，每一个镜元到吸收器的距离也各不相同，因此需要保证每一块镜元反射的太阳光都能聚焦到焦线处，每一片镜元都必须保持足够的跟踪精度，以保证线性菲涅尔聚光器的光学效率最大。 这就必须对通常计算得到的太阳高度角、方位角进一步计算，得到相应镜元的跟踪旋转倾角。 图 21 是太阳位置矢量几何分解示意图。 图 21 太阳位置矢量几何分解示意图。 如图， AC 为线性菲涅尔反射镜聚光器的任 意一个镜元的轴线， SC 为通过轴线的任意一条太阳光线，由文献 [4043]知，水平放置的吸收器，只要保证每一个镜元中线处能将太阳能光线反射到接收器处，镜元其他处必能将太阳光线反射至接收器处。 光线 SC 由矢量分解可分解 SA,AC， AC 的方向向量与镜元平行，不考虑反射光线，因此只考虑 SA 方向上的光线分量。 为了保证 SA 方向上的光线分量的反射光线能进入腔体吸收器，假设镜元沿轴旋转了  角（跟踪倾角），如图22 所示。 第 2章 线性菲涅尔太阳能反射聚光器理论分析 9 图 22 镜元倾角 p 计算示意图 设 H 为吸热器距镜元旋转轴平面的垂直距离， d 为吸热 器距镜元旋转轴平面的水平距离，  为太阳高度角，  为太阳方位角，由图 22 可得如下关系 : arctan2darctan2t a n c o sHOSWO S WO C O C               （ ） 通过上面式子可以得出： ar ct anar ct an cos   （ ） 继而可以得到： ()22    （ ） 最后可以得到： t a na r c t a n( )d c os()22  H（ ） 由式 ()可知，镜元的跟踪角  与 a ，  ， H， d 有关。 在设计线性菲涅尔反射镜聚光装置的控制系统时，输入上述控制式，给出每一片镜元的控制因数，第 2章 线性菲涅尔太阳能反射聚光器理论分析 10 再根据不同地区的太阳高度角和方位角，可以使反射镜的每一片镜元可以精确跟踪太阳，将太阳光线反射到吸收器处。 上述理论计算是基于吸收器东西两侧的镜元，将镜元的水平距离 d 定义为负另值， e 角换算至 0180176。 范围，上式 ()也适用于吸热器南北两侧的镜元。 菲涅尔太阳能聚光器光学矢量分析 上节利用几何分解方法得到 LFR 系统跟踪倾角计算公式，公式简单明了，但是推导过程相对复杂。 本节通过矢量法，进 一步给出线性菲涅耳反射装置任一镜元的入射角、反射位置、反射光方位角 /高度角、跟踪倾角公式，更好的应用于线性菲涅尔聚光器中。 LFR 装置在设计时一般需根据入射角计算得到的辐射量，根据反射光在吸收器的位置来计算聚光比，根据反射光方向计算遮挡问题，根据跟踪倾角控制电机使镜元旋转至相应位置。 下面就东西水平布置，南北跟踪，吸热器水平布置的LFR 装置，用矢量法计算任一镜元的入射角、反射位置、跟踪倾角公式。 图 23是线性菲涅尔聚光装置光学反射矢量示意图。 图 23 LFR 聚光 装置光学反射矢量示意图 太阳方向，镜元法线，反射矢量分别用 S,N,R 表示。 i,j,k 分别为正东，正北，天顶方向的单位矢量。 下标 s、 r、 z、 n、 e 分别表示太阳矢量，反射矢量，天顶，第 2章 线性菲涅尔太阳能反射聚光器理论分析 11 北，东方向分量，  为镜元倾角 (镜面朝南为正，镜面朝北为负 )。 1n 为镜元旋转轴与吸收器的垂直距离， 2z 为吸收器到地面的垂直高度， 2e 为 A 点光线反射到吸热器上的焦点距坐标原点东西方向的垂直距离， 称为偏移。 有矢量分解得： Z n eZ n eZ n eS S i S j S kN N i N j N kR R i R j R k        （ ） 其中： s i n c o s s i nc o s c o s s i n c o s c o sc o s s i n 0 c o s s i nZ n Z Z rn s s n n r re s s e e r rS N RS N RS N R                                 （ ） 由矢量算法有： cos    iS N R N （ ） 将（ ）带入（ ）式可得： c o s c o s c o s c o s s i n s i n c o s c o s c o s s i nc o s s i n c o s c o s c o s s i n2 c o ss s s r r ri s s siSNR N S                          （ ） 由图可知： 2 1 22 2 22 1 2s i n c o s c o s c o s s i n        r r r r rz i n e kR i j kz n e () 将 S、 N 代入上式右侧项，得： )s i nc o sc o sc o s( s i n)s i n( c o sc o s2c o s2 kjijiSN sssssii   k jiss isssi s i nc os )s i nc os2c os( c os)s i nc osc os2(  而以上两式子的各对应 分量应相等，因此： 第 2章 线性菲涅尔太阳能反射聚光器理论分析 12 22 2 22 1 212 2 22 1 222 2 22 1 22 co s co s si nco s co s 2 co s si nco s si nz i sn s s ie s szRz n enRz n eeRz n e                  （ ） 当吸热器高度 H，镜元距吸热器垂直距离 d 已知时，即 2z 、 1n 已知，由上式可以推出 A 点的反射光在吸热器上的坐标。 2 2 2 2212 22c o s sin ( )1 c o s sinsssszne  （ ） 进而可得： 2 2 222221(1 c o s s in )ssz zR zn （ ） 2 2 212221(1 c o s s in )ssn nR zn （ ） 从而可以推得： c o s c o sta n s ins s nzsRR  （ ） 最终镜元的跟踪倾角为： sZnssR R s inc osc osa r c t a n   （ ） 聚光系统理论分析 通过上两节 的公式推导与分析计算，得到了 LFR 镜场南北分布与东西分布的跟踪与光学几何公式，并对其光学特性从理论上有了深入的了解，具备了对 LFR系统进行光学性能分析的必要工具。 众所周知，聚光太阳能热发电系统中太阳跟踪控制扮演着重要的角色，只有聚光器镜面精确的跟踪太阳，才能确保被聚集的太阳辐射指向吸热器，不精确的跟踪将导致热流密度分布质量变差，影响系统整个性能，甚至偏离吸热器。 考虑一个聚光器，除了要求其制造工艺简单，风阻较小，在同等条件（如发电功率）第 2章 线性菲涅尔太阳能反射聚光器理论分析 13 下制造成本相对较低以外，聚光性能是一个至关重要的参数。 聚光性能主要是通过 聚光器的聚光效率体现的，聚光效率具体又体现在它的聚光倍数以及它对空间的利用程度，以及聚光光斑能流密度分布的均匀性等。 下面以腔体吸收器作为接收器，从聚光器的理论聚光比、对空间的面积利用率两个方面进行分析。 如图 24 线性菲涅尔反射太阳能集热器光学传递图，接收器安装高度为 a,接收器的宽度为 L，设接收器长度与反射镜长度相同。 定义 a 与 L 比值为接收板无量纲安放髙度ε。 La （ ） 定义聚光器第 i 个镜元中心到聚光器中心线的水平距离为 iX ，第 i 个镜元最外缘边线到聚光器中心线的距离 iiii bWX co s)(  与接收板宽度 L 比值定义为无量纲玻璃镜面跨度μ : LbWx iiii  c o s)(  （ ） 式中， i 为聚光器单侧玻璃镜面数。 图 24LFR 太阳能集热器光学传递图 第 2章 线性菲涅尔太阳能反射聚光器理论分析 14 假设线性菲涅尔反射镜聚光器的每一块反射镜元的长度相同，均为 L，第 i块镜元宽为 iw ,倾角为 i ，由聚光比定义 :聚光比为所有玻璃镜在阳光入射方向上面积之和与平板接收体面积之比得聚光比 RC 为： LwC iiniRcos1 （ ）  值一定，在同一角度  下，理论聚光比 RC 随着  的增大而增大。 在相同跨度下， RC 值随角度  的增加变化不大。  值一定，在同一  值下，理论聚光比 RC 值随着的增大而增大。 在相同跨度下， RC 随  值的增加而增大。 综合以上结果，理论聚光比受  值的影响比较大。 当接收板高度越高，也就是 a 值越大时，在同样跨度值下，理论聚光比越大。 角度对  理论聚光比影响不大。 上述分析，不管是一定  值条件下，理论聚光比 RC 随  的变化规律，还是一定值  条件下，理论聚光 RC 比随  的变化规律，均是在一定的跨度  下讨论的。 图 给出镜面数 n 变化下，理论聚光比 RC 随角度  的变化规律。 由图 可以 RC 得到，玻璃镜面数相同，在同一  值下，角度  较小或者较大时，理论聚光比较小。 此时跨度  较小。 实际应用中，若给定所要求的 RC 值范围，在已知  值的情况下，可以得到一个  值 ,使得玻璃镜面的数量最少。 图中拟合实线处即为相同镜面数下，理论聚光比最大值。 如  =20，在和  =30176。 左右时，相同镜面数下的理论聚光比较大。 第 2章 线性菲涅尔太阳能反射聚光器理论分析 15 图 23 玻璃镜面反射光线路径图 如图 所示，对于一个固定接收板安放角度  值，总会有一块玻璃镜片反射的光束宽度与接收板宽度 L 恰好相等，此时  =2 i ，并且对电池片的利用最为充分，单片玻璃镜的聚光比最大为 1。 当 i 与  值偏差越大时，反射镜片的宽度越小，反射光束宽度均小于平面接收板宽度 L。 反射镜片的宽度越小，在有限的  值范围内，镜面数 n 值越大 ,所以给定镜片。