[科普中国]-弗雷内尔集热器

研究背景

人类社会的进步和演化始终伴随着使用能源的变革，从19世纪70年代的产业革命以来，化石燃料的消费急剧增长。当前石油、煤炭、天然气等化石能源仍然是主导性能源。全球化石能源储量探明增长有限，但需求增长强劲，供需矛盾日益突出。根据预测，以目前的生产水平，石油、天然气等化石燃料价格将节节攀升，新能源的发展需担当大任，支持未来世界动力永续。自工业革命以来，化石能源的大量消费导致全球温室气体浓度不断增加，并日益逼近限值。在现有政策框架体系下如不采取更为严厉的碳减排措施，2030年，全球与能源有关的二氧化碳排放量将达到400亿吨。温室气体大量排放的导致气候剧变将会对地球文明造成严重威胁。

发展新能源已成为全球应对能源挑战和气候变化，实现经济转型和强势政治的共识。各国政府积极行动，出台了一系列鼓励新能源的政策和措施，新能源在未来将会得到迅速的发展。

太阳能热利用分为低温（40-80℃）、中温（80-350℃）和高温（350-800℃）三类，分别主要应用于生活用热、工业用热和太阳能热发电领域。我国目前在太阳能低温应用(太阳能热水器)方面取得了巨大的成功，但对太阳能中温供热、制冷的研究还很少，广大工业过程亟需环保、价廉的太阳能中高温热源。1

弗雷内尔集热器研究及应用现状常用的太阳能聚光方式主要有四种形式:槽式、塔式、碟式和弗雷内尔式四种。前三种方式因为能量转换的利用率高，主要用于太阳能热发电，而弗雷内尔式虽然聚光比没有前三种方式高，但其主要优势体现为：

（1）系统结构简单，建设和维护成本较低；

(2)使用固定的吸热器，可以避免因吸热器随聚光装置跟踪运动而带来的高温高压的管路密封与连接问题；

(3)使用廉价的平面或可弹性弯曲的反射镜代替昂贵的抛物型反射镜，制造安装更为简单；

(4)由于反射镜近地安装，大大减少风阻，对基础结构的要求也大为减少；

(5)若每一个反射阵列采用单独跟踪控制，可方便清洗、冰雹保护、光学控制；

(6)孔径朝下的腔式吸热装置便于获得直接蒸汽发电（DSG）。因此，弗雷内尔集热器不仅可以产生高温高压用于热发电，也广泛用于酒店、采暖、太阳能空调、纺织、造纸、海水淡化处理、烘干等各种需要热水和热蒸汽的中温场合。

国外开展弗雷内尔技术的研究及应用较早，主要用于太阳能热发电，如2008年10月，AREVA太阳能公司在加利福尼亚州的贝克斯菲尔德完成了美国第一个商业化的弗雷内尔系统，该系统能产生25MWt的热能，驱动邻近电厂的蒸汽轮机产生5MW的电力。2009年3月德国NOVATEC BIOSOL公司在西班牙建成了一座1.4MW的商业化弗雷内尔太阳能发电站PE1，蒸汽温度270℃、压力为55bar，并直接推动汽轮机发电。相比而言，我国开展这方面的研究起步较晚，绝大多数科研院所还处于收集试验数据阶段，依旧停留在实验示范的水平。目前，皇明公司已在山东德州建立了2.5MW的示范工程，利用弗雷内尔反射聚光镜场的直接蒸汽生成技术，实现太阳能热发电、空调制冷以及工业用热的一体化设计。

太阳能集热的聚光装置一般都安装一套跟踪控制系统，使得聚光的设备，塔式太阳能热发电中所用的定日镜、弗雷内尔式中所用的平面反射镜能够每天随太阳角度变化而相应的自动变化，从而最大限度的集热或者发电，通过采用各类型不同的跟踪方式以及更为精确的追日算法，能够有效的减小跟踪误差所带来的光学效率损失，从而更大程度的充分利用太阳能。He等人利用蒙特卡罗追迹法，通过改变弗雷内尔反射镜镜面宽度来来研究其对集热阵列光学性能的影响。Dai等人提出了一种新的弗雷内尔集热器跟踪控制策略，传统的线聚焦弗雷内尔集热器按照一维跟踪的方式进行，新的跟踪策略采用两维跟踪的方式，吸收器与反射阵列同时移动，尽可能达到光线的垂直入射，对光学效率的提升有很大作用，但同时跟踪系统成本也大幅提高。Abbas等人采用基于两种特殊的反射镜形式的线性弗雷内尔聚光镜场进行研究，在理论研究基础上，提出了一种新的腔体吸收器，该腔体吸收器由管束直接成型，通过实验和理论分析得到该类型腔体吸收器在大大降低生产成本的同时能够做到全天可靠、高效的吸收太阳能热量。1

Singh等人研究了基于直通式的金属圆管，在表面涂以吸收涂层的方式的吸收器形式，随着反射镜数量的增加，弗雷内尔集热系统热效率依次降低，并研究了基于梯形结构腔体吸收器的线性弗雷内尔反射镜太阳能集热器，该类型腔体吸收器在高温应用中热损失较大，较适宜应用于中低温太阳能供热制冷应用中。同时通过实验表面管束型的腔体吸收器可获得更高的集热效率。林蒙在线聚焦弗雷内尔反射式太阳能集热器的基础上，提出了点聚焦二次反射太阳能聚光系统，并提出了点聚焦塔式集热器的设计流程，利用光线追踪法，对弗雷内尔线聚焦和点聚焦反射式太阳能集热器进行光学性能分析，研究跟踪策略、入射角、吸收器形式等因素对两种弗雷内尔反射式太阳能集热器光学性能的影响。利用CCD相机和图像处理技术对焦面处光斑能流密度分布进行测量。谢文韬]对采用腔体吸收器的聚光太阳能光热转换过程进行热力学分析，对太阳能光热转换模型进行修正，得出基于热力学第二定律光热转换效率的完整表达式。设计加工八种不同形状的点聚焦腔体吸收器和八种不同形状的线聚焦腔体结构吸收器，结合弗雷内尔透镜和弗雷内尔反射镜对其光学性能和热性能进行理论与实验研究，得到最优的点聚焦和线聚焦腔体结构形式。

Bermejo等人建立了一个线性弗雷内尔反射镜太阳能集热器驱动的双效吸收式空调系统，制冷量为180kW，日平均集热效率为35%，最高集热效率为40%，制冷机日平均约为COP1.1，当应用地区全年太阳能保证率达到0.75时，基于获得的太阳能集热量计算得到的COP可达到0.44。此外，Chemisana等人研究了基于线聚焦的中温太阳能空调系统，所产生的太阳能热量作为热源供给双效溴化锂吸收式制冷机，并通过与基于真空管集热器的单效溴化锂吸收式制冷系统进行对比，指出弗雷内尔集热式太阳能空调系统的优势与不足。2

系统组成弗雷内尔太阳能集热器单元主要由反射镜面组、吸收器（腔）和支撑结构三大部分组成。反射镜面组由多块带有一定曲率半径的微弧形镜面组成。这些镜面可以根据太阳跟踪系统发出的指令，在统一的动作机构操作下自动跟随太阳的偏转，时刻保证将太阳辐照反射至吸收器（腔）内的集热管上。并且根据镜面所在集热器单元位置和角度的不同，为了更好的提高太阳能的反射率，其曲率半径也会有略微的差别。

吸收器（腔）的主要功能在于最大程度上吸收由反射镜面组反射的太阳直射辐射，在其内部是由三根并行连接的涂敷有选择性涂层的金属集热管组成。这样设计的目的是为了在增加吸收管的吸收面积的同时降低由于管路连接过长导致的沿程阻力的增大。

由于弗雷内尔太阳能集热器其自身的结构特点，所以其支持结构可以设计的较为轻便简单，这也在成本造价方面降低了很多。1

性能分析集热器设计线聚焦弗雷内尔集热器通过其反射镜阵列将光线全部反射到吸收其中，并随太阳位置的变化，反射镜阵列同时进行相应运动。

线聚焦弗雷内尔反射式太阳能集热器的反射镜设计有两种不同的方法，反射阵列镜面设计可以按照等宽度设计，也可按照宽度变化的反射镜阵列来进行设计。通过设计宽度、间距变化的反射镜阵列，可有效实现吸收器焦面上能流密度均匀分布，吸收器内载热流体的传热性能将得到大幅度的提升，但同时由于每一列的镜片宽度均不同，给设计和制造带来了较大的困难，造成此种设计方式成本较高。本文选用等宽度反射镜阵列设计方法来进行设计，同时由于工业生产要求，反射镜宽度较大而吸收器的开口宽度一般较小，易发生光斑宽度大于吸收器口径，造成光学效率的损失。根据Jorge Facao的研究，其采用具有微小弧度的柱面镜，具有良好的聚焦效果，本文中反射镜全部选用轻质的室外铝材质，具有非常强的型面可塑性，实现设计要求的镜面的微小弧度在工艺上非常简易方便。所以采用了等宽度的柱面镜设计，在降低工艺要求和加工难度的同时，实现了太阳能的良好聚焦。具体设计流程如下：1

镜场分布设计基于如下假设：

（1）跟踪系统精度高，能够根据追日算法精确追踪，不考虑由于控制系统原因带来的误差。

（2）太阳光到达镜面光线认为是直射光线，在反射镜阵列发生镜面反射。 下图给出了典型的线聚焦弗雷内尔经常设计示意图，当太阳光线垂直入射到反射阵列时，在反射镜中发生镜面发射，通过镜面反射，根据几何光学的原理，通过计算角度和距离使其焦点位于吸收器的吸收管中心处，由于吸收器的吸收管中心位置已给定，根据几何光学原理的对称性即可计算出不同位置的反射镜所应具有的镜面倾角了，确定各列反射镜倾角后，需进一步确定各列反射镜之间的间距以防各列反射镜相互之间造成互相遮挡，影响光学效率，令光线经过一列反射镜反射的光线通过相邻反射镜边缘点，此时相邻两反射镜间的间距即为反射镜阵列的临界间距，在集热阵列的实际设计中，间距不得小于此数值，否则将出现光线的相互遮挡。1

光学性能分析弗雷内尔集热器的光学效率是太阳能集热镜场设计中最为重要的物理参数，其受到很多因素的影响，包括弧形反射镜材料的反射性质，腔体吸收器表面涂层的吸收性质，太阳位置的逐时变化会造成光学效率的余弦损失，同时由于太阳高度角较低时，会引起集热器的末端损失，弗雷内尔集热阵列的光学损失在整个过程中的能量损失中占比很大。

1、纯光学效率

集热器的纯光学效率是指不考虑太阳位置引起的余弦损失，由于太阳高度角造成的末端损失，跟踪误差引起的追日偏差的光学效率，其直接反映了镜场反射材料、吸收器表面涂层，聚光性能的优劣。下表为模拟中采用的光学特性参数。1

|| || 光学特性参数

纯光学效率定义为：

η0=

式中：

Qu——吸收器吸收的热量；

Ib——太阳直射辐射量；

Ac——反射镜总面积。

2、集热器光学效率

在线性弗雷内尔聚光系统中，为将太阳光反射到固定目标上，反射镜表面不可能与入射光线垂直，会产生一定的角度(θ)。余弦损失就是由于这种倾斜所导致的反射镜表面面积相对于太阳光可见面积的减少而产生的，余弦损失后的剩余能量与入射能量之比为cosθ，余弦损失为1-cosθ。

阴影损失发生在当反射镜的反射面处于相邻一个或多个反射镜的阴影下，而不能接收到太阳辐射能的情况。当太阳入射光线与水平面的夹角越小时，此损失较严重。吸热器或其他物体的遮挡也可能对系统造成一定的阴影损失。考虑阴影损失后的剩余能量占入射能量的百分比称为阴影效率。

当反射镜虽未处于阴影区下，但其反射的太阳辐射能因相邻反射镜背面的遮挡而不能被吸热器接收所造成的损失称为遮挡损失。考虑遮挡损失后的剩余能量占入射能量的百分比称为遮挡效率。1

腔体吸收器热性能分析腔体吸收器的热量损失对于整个弗雷内尔集热阵列的集热效率具有重要的影响，为了分析系统中方形腔体吸收器的热损机理，通过建立二维模型，分析了导热、自然对流、辐射等传热方式的耦合作用，得到腔体吸收器在不同的工作温度下的总热损及热损系数，并对热损的组成部分进行了分析，并分析其随着工作温度变化的变化情况，确定影响热损的主要因素，通过模拟分析得到减小热损的方法和建议。

方形腔体吸收器的网格模型如下图所示，为了简化模型的物理结构，3根不锈钢管管束用3个半圆弧来表征，不锈钢管束被绝热材料包裹良好以最大程度减少热损；为模拟腔体吸收器在大空间的实际发生自然对流作用下的热损工况，利用正方形大空间表征腔体吸收器所处大空间，大空间边长为1.5m，大空间中空气处于自然对流状态，且空气可自由流动。1

蓄热模式1、太阳能蓄热模式

当白天日照充足，而空调水子系统无需开机工作时，太阳能集热器所吸收的太阳能将直接供给蓄热熔盐罐以达到蓄热储热的目的。此时，板换和电加热油槽被旁通，空调水子系统也处于关机或是断开状态。

此时，电磁阀MV1、MV2、MV4和MV5处于断电通路状态，而其余电磁阀处于通电断路状态；导热油循环泵P1和P2均处于工作状态；熔盐蓄热罐处于储热状态。油路循环如右图所示。

2、太阳能分流蓄热模式

当白天日照充足，系统在太阳能直驱模式的基础上运行，此时线菲太阳能集热器的集热量和集热温度过高，在驱动系统正常运行的前提下仍有余量。虽然这样的状态出现在一天的时间段内较短，但是为了更好的利用太阳能和防止系统温度过高导致系统某些部件存在安全隐患，此时可以将部分太阳能集热量分流至熔盐蓄热罐内。

此时，电磁阀MV1、MV2、MV4、MV5和MV6处于断电通路状态，而其余电磁阀处于通电断路状态；导热油循环泵P1和P2均处于工作状态；熔盐蓄热罐处于储热状态。油路循环如右图所示。

3、电蓄热

在晚间10:00至第二天早上6:00的时间段内，为了充分利用“峰谷电”的电价优惠政策，系统可以在此时间段开启电加热装置，将电能转换为热能储存在熔盐蓄热罐中。此时，线菲太阳能集热器和板换均被旁通，导热油仅在缓冲油槽和蓄热熔盐罐之间流动。此时，电磁阀MV3、MV5和MV7处于断电通路状态，而其余电磁阀处于通电断路状态；导热油循环泵P1和P2均处于工作状态；电加热装置开启；熔盐蓄热罐处于储热状态。油路循环如右图所示。1