带有平板二次反射镜的槽式聚光集热系统及其设计方法

1.本发明属于太阳能聚光集热技术领域，尤其涉及一种带有平板二次反射镜的槽式聚光集热系统及其设计方法。


背景技术：

2.太阳能无疑是目前地球上可以开发的最大可再生能源，太阳能的聚光利用形式分为碟式、塔式、槽式及线性菲涅尔式。槽式发电技术最为成熟，占太阳能聚光热发电市场的90％以上，也是目前唯一能商业化的太阳能热发电产品。
3.大开口、高聚光比是目前提高集热温度、降低投资成本最有效的方法。传统的大开口高聚光集热系统由大开口槽式聚光器和集热管组成，使用直径较大的集热管拦截太阳能光线，提高光学效率。但是，直径较大的集热管导致对外辐射损失面积大，热效率低。因此，为了提高光学效率，减小对外辐射损失，急需设计一种能够拦截太阳光线，但是直径小的集热管，提高光学效率、降低投资成本。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明公开了一种带有平板二次反射镜的槽式聚光集热系统及其设计方法，提高光学效率，减小对外辐射损失，最终提高系统的热效率。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
6.一种带有平板二次反射镜的槽式聚光集热系统，包括：大开口槽式聚光器和集热管，所述集热管由金属吸热管、玻璃外壳和平板二次反射镜组成，所述金属吸热管位于所述玻璃外壳的内部且和玻璃外壳不同心，所述的平板二次反射镜位于玻璃壳内的上半部分，在金属吸热管的上端。
7.进一步地，所述金属吸热管的中心点o
′
偏离所述大开口槽式聚光器的焦点o，向下移动l距离到达到o
′
点，所述金属吸热管的最低端点到达n点，用于拦截经过金属集热管下端的太阳光线；所述的平板二次反射镜和大开口槽式聚光器焦点o的距离为h，用于将经过金属吸热管上端面、且没有被的光线，反射回到金属吸热管上；所述金属吸热管的半径r减去向下移动的距离l的差值小于平板二次反射镜到一次反射镜的h；所述金属吸热管的半径r和向下移动的距离l的和小于玻璃外壳的半径。
8.进一步地，所述平板二次发射镜的宽度k大于金属吸热管的直径，小于玻璃外壳的直径。
9.上述带有平板二次反射镜的槽式聚光集热系统的设计方法，该方法包括如下步骤：
10.第一步：集热管最低端n点的确定：
11.从集热管中心点o
′
到抛物线焦点o的距离l1表示为：
12.13.式中：f为大开口槽式聚光器的焦距，为边缘角，m为大开口槽式聚光器的开口宽度，α为最大误差角，r为金属吸热管的半径；
14.第二步：平板二次反射器镜的宽度k以及和平板二次反射镜到大开口槽式聚光器焦点o的距离h的求解：
[0015][0016]
第三步：几何参数的优化：
[0017]
将第一步和第二步求解得到的几何参数，以及集热管的几何参数和材料的光学参数输入soltrace软件中，建立几何模型，调整几何参数l、h、k使集热管表面的太阳能热流密度最大，从而得到最优的几何模型。
[0018]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0019]
1.新型集热管最大限度的拦截太阳光线，提高了光学效率；同时采用直径较小的吸热管，对外辐射面积小，热效率高；
[0020]
2.平板二次反射镜制造简单，热效率高的同时成本低；
[0021]
3.增大聚光器开口和提高聚光比的同时，保证了光学效率，降低了建设成本。
附图说明
[0022]
图1为本发明的系统结构示意图。
[0023]
图2为本发明的新型集热管的设计原理图。
[0024]
图3为70mm的集热管上热流密度分布图。
[0025]
图4为80mm的集热管上热流密度分布图。
[0026]
图5为dni＝400-1000w/m2的热效率。
具体实施方式
[0027]
本发明的一种带有平板二次反射镜的槽式聚光集热系统如图1所示，包括：大开口槽式聚光器1和新型集热管2。其中新型集热管如图2所示，由金属吸热管2-1、玻璃外壳2-2和平板二次反射镜2-3组成。如图1所示，金属吸热管的中心点(o
′
)偏离原来大开口槽式聚光器的焦点(o)，向下移动l距离到达到o
′
点，金属吸热管的最低端(靠近大开口槽式聚光器端)点到达n点，拦截经过金属吸热管下端的太阳光线。如图2所示，平板二次反射镜位于玻璃壳内的上半部分，在金属吸热管的上端，和大开口槽式聚光器焦点(o)的距离为h，宽度为k，将经过金属吸热管上端面、且没有被的光线，反射回到金属吸热管上。
[0028]
如图1所示，新型集热管的设计如下：
[0029]
第一步：集热管最低端n点的确定：
[0030]
集热管下移l距离的目的就是为了拦截经过下端的太阳光线。因此，从集热管中心
点(o
′
)到抛物线焦点(o)的距离l可以表示为：
[0031][0032]
式中：f为大开口槽式聚光器的焦距，为边缘角，m为开口宽度，α为最大误差角，r为金属吸热管的半径。
[0033]
第二步：平板二次反射器镜几何参数k和h的求解：
[0034]
第一步确定了集热管的位置，接下来设计平板二次反射器。平板反射器的目的是，反射未被集热管拦截的太阳光线。被大开口槽式聚光器边缘反射的光线，经过平板二次反射镜的反射达到吸热管的中点(o
′
)，太阳光线与集热管表面垂直，余弦损失小，光学效率大。平板反射器的宽度(k)和到大开口槽式聚光器焦点(o)的距离(h)可以通过以下关系式得到：
[0035][0036]
第三步：几何参数的优化：
[0037]
将第一步和第二步求解得到的几何参数，以及集热管的几何参数和材料的光学参数输入soltrace软件中，建立几何模型。调整几何参数l、h、k使集热管表面的太阳能热流密度最大，从而得到最优的几何模型。
[0038]
下面通过一个具体的实例进行验证说明。
[0039]
一次抛物线反射镜开口宽度m＝8000mm，边缘角焦距f＝2384mm，允许最大误差角α＝0.5
°
，跟踪参数采用ls-3系统，光学参数如表1所示，根据上述的设计方法和设计原理得到的几何参数如表2所示。
[0040]
表1的光学参数
[0041][0042]
表2 k、l、h的几何尺寸
[0043][0044]
对表2中对应的集热管系统进行研究，得到对应集热管上热流密度分布如图3和4所示，横坐标为金属吸热管的周向位置(从最低点开始)，横坐标为金属吸热管表面热流密度分布。如图3和4所示，集热管表面热流密度对称分布，最大值均在集热管的最低端。如图3所示，直径为70mm的圆形集热管上的平均热流密度(e
ave
)为28.3kw/m2，如图4所示，直径为80mm的对应平均热流密度(e
ave
)为25.8kw/m2。根据下列公式计算光学效率η
opt
：
[0045][0046]
计算结果显示，金属吸热管直径为80mm，系统的光学效率为81％；金属吸热管直径为70mm的，光学效率为77.9％。
[0047]
熔融盐(60nano3 40nano3)作为传热介质，利用fluent进行热效率计算，且结果如图5所示。当dni＝1000w/m2时，热效率分别为71.5％(2r＝70mm)和73.4％(2r＝80mm)。当dni＝400-1000w/m2，80mm圆形集热管的平均热效率为69.1％，70mm圆形集热管的平均热效率为67.9％。
[0048]
最后应说明的是：以上所述仅为发明的优选实施例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在发明的保护范围之内。