CPC在太阳能热利用中应用技术.docx
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CPC在太阳能热利用中应用技术
CPC在太阳能热利用中的应用
河海大学南京中材天成新能源有限公司.王军张耀明刘德有孙利国郭苏
摘要:
综述了CPC聚光器的光学原理、制作方法、优点和在太阳能领域的应用。
分析了CPC由倒V型结构向W型结构发展的原因。
阐述并提出了直通式CPC、热管式CPC、自聚光式CPC的结构和优点。
设计了多种双层玻璃管式CPC结构。
关键词:
太阳能。
CPC,聚光集热器。
集热管。
聚光器
复合抛物面聚光器(CompoundParabolicConcentrator,简称CPC)是一种根据边缘光学原理设计的非成像聚光器,由两片槽形抛物面和渐开面组成的聚光镜构成,如图1所示。
CPC可将给定接收角范围内的入射光线按理想聚光比收集到接收器上,由于有较大的接收角,因而在工作时只需作季节性调整,无须连续跟踪。
它可达到的聚光比一般在10以下,当聚光比小于3时,可做成固定式CPC。
CPC不但能接收直射太阳辐射,还能很好的接收散射辐射,对聚光面型加工精度要求不是很严格,又无须跟踪机构,有着广泛的应用前景。
一、CPC的工作原理及应用
1CPC光学原理
图2是二维CPC的几何图形,由图可知,二维CPC抛物线A的焦点FA位于抛物线B上,而抛物线B的焦点FB则位于抛物线A上,抛物线A和B对CPC的中心轴是对称的。
aFA和bFB为CPC的入射限制线,它们分别与抛物线B和A的主轴相平行,其夹角为CPC的接受角2θmax,需注意的是,其交点不是抛物线A和B共同的焦点,CPC并无共同焦点。
其右支抛物线的焦点FB靠近左支抛物线的起点。
光线S1,S2,S3照射到抛物面上后,聚焦到抛物线的焦点上,因抛物线的焦点不在吸热圆上,光线聚焦在吸收器的C,D,F三点,而不是聚焦在一点上。
这样使得聚焦的光线在吸收体上分布合理,不易形成焦斑,
从而不易损坏集热管。
FAG,GFB为两段对称的渐开线,渐开线的展开圆为吸热管的外圆,即吸热圆。
由圆的渐开线性质可知,从圆外任何方向射向圆的渐开线上的光线经反射后都投射到该圆上,因此它具有不用跟踪太阳也可以接受会聚光线的功能,故提高了聚光器的光学效率。
利用射线跟踪法,很易于了解CPC的聚光特性,若视太阳为点光源并认为镜面无像差,则太阳直接平行于抛物线A的主轴时,入射角θi=θmax(θi为入射辐射与CPC对称轴之间的夹角),射线将被汇集至其焦点FA。
若入射角θi<θmax,则由图3a可知,投射被反射后将射入接受器的开口。
反之,若入射角θi>θmax,入射辐射在第一次反射后将达焦点FA的上方,最终将返回CPC的开口而不能到达接受器开口,如图3b。
如果抛物镜是理想的,投射在CPC开口上2θmax之间的辐射都将汇集到接受器。
对于理想的二维CPC,基于热力学原理可推得最大聚光比为:
由此可知,CPC的聚光比完全是由接受半角sinθmax决定的。
当接受半角θmax为23.5°时,C为2.51;当θmax为11.75°时,C增大到4.91。
随着θmax的减小,C逐渐增大。
这就是说,要得到大的聚光比C,θmax就必须减小,而θmax减小会导致一年中调整CPC倾角的次数增加。
阳光每小时转过15°,光线由bFB移动到aFA的时间为2θ/15。
在这段时间内,射入开口ab的光线都能被接收器有效地吸收。
由此可见,接收角2θ越大,ab的开口越大,接受器接收阳光的时间越长,制作成固定式CPC的优势越大。
2CPC聚光器的截取
图2中可以看出CPC上半部分几乎对称平等,作用不是很大,实际应用中将其截去一部分,可以减少用材,降低成本,也可以提高性价比。
圆管型CPC经过截取后,开口到圆管接收器圆心间的距离与原来的距离之比,称之为截取比。
当截取比较大(即截取的部分较少)时,聚光比的减小很少,但截取比太小会造成聚光比减小,一般截取比大于1/2时聚光比减小的很缓慢。
只有当截取比小于1/2时聚光比才迅速减小。
综合考虑系统的效率和经济性,截取比为1/2一2/3时比较理想。
3CPC在太阳能集热中的应用
CPC作为聚光器在太阳能集热中已得到广泛关注和应用。
根据CPC在集热管中的位置可分为CPC外聚光式集热器(图4a)和CPC内聚光式集热器(集热管)(图4b)。
CPC外聚光式集热器由于聚光比的限制以及热量散失的影响,集热温度一般不会很高,所以一般研究对象为内聚光式。
本文所述CPC皆为内聚光式。
4CPC的优点
与其它聚光器相比,CPC具有以下优点:
(1)运行不需要随时跟踪太阳位置,只需根据季节调节方位,当聚光比在3以下时可做成固定式装置。
(2)可以接收直接太阳辐射和部分散射辐射,并能接收一般跟踪聚光器所不能接收的“太阳周围辐射”。
(3)结构简单,操作、控制方便。
(4)由其组成的聚光集热器工作温度范围为80~250℃,是具有一定特色的中温聚光集热器。
(5)由其组成的CPC式真空集热管可应用于槽式太阳能热发电中,起到二次反光的效果,工作温度可达更高。
二、CPC的发展
从图2可以看出,吸热管下部渐开线呈倒V型结构。
理论上来说,吸热管底部与倒V顶点之间不能有缝隙,否则会有部分光线穿过这一缝隙,经CPC反射后“逃离”聚光器。
而实际上吸热管底部与倒V顶点之间是不可能直接接触的,原因有:
(1)吸热管本身不能直接放置在倒V顶点上,否则吸热管中的热量通过CPC,破坏外层玻璃管(图5a)。
(2)组装时位置偏移引起的间隙(图5b)。
(3)由于误差引起的间隙。
(4)其它原因引起的间隙。
对于CPC外聚光式,放置在CPC中的集热管一般为真空集热管,吸热管的外面有一层玻璃管,即使玻璃管放在倒V顶点,吸热管底部与倒V顶点之间仍存在R玻璃-R吸热的缝隙。
间隙的存在不可避免,能量的损失也就在所难免。
Mcintire通过实验测得损失率,并提出了改进方案:
将底部为倒V结构改为W型结构(图6a)和连续V型结构(图6b),这样有效地克服了倒V型CPC结构因间隙而引起的能量流失。
CPC的优良特性受到了广泛关注,在太阳能中、高温热利用领域,已形成了多种结构和型式的CPC型集热器(集热管)。
三、直通式CPC
直通式CPC结构是相对于一端封闭的结构(如热管式、U型管式)而言的,一根表面涂有选择性吸收涂层的金属吸热管外面罩有玻璃管以减少与空气间对流换热,吸热介质从吸热管的一端流入,在管内加热后,直线流动从另一端流出,进入下一个单元或用户。
1单层玻璃一金属直通式CPC
结构为一根表面涂有选择性吸收涂层的金属吸热管外面罩有玻璃管,玻璃管与金属管间抽真空,为了实现金属管与玻璃管之间的真空密封,采用可伐合金过渡封接,可伐合金与玻璃之间融封(主要有铅封和铝封)或熔封连接;并采用膨胀节以消化金属与玻璃间的膨胀量差(图7a)。
对于中温使用场合,融封连接是足够的,作者曾对国内某著名企业生产的铅封式集热管进行实验,结果表明其最高可达到285℃。
对于CPC式集热器,一般是达不到这个温度的,所以CPC式集热器可用融封连接。
但如果是作为在槽式太阳能热发电中二次反射的集热管,直通式CPC则应该采用熔封结构,方能达到耐温要求。
图7b所示为倒V型结构,直通式CPC还可根据具体情况制成W型和连续V型结构。
2双层玻璃一金属直通式CPC
如前所述,单层玻璃管内放置CPC,金属吸热管与玻璃管间抽真空后能达到非常好的效果。
但金属管与玻璃管间需要用可伐合金件过渡封接,可伐合金与玻璃之间封接目前主要采用融封和熔封两种方式,技术水平都比较成熟,但制作比较复杂,制作成本较高。
那么在一些不需要太高温度的场合,可以采用双层玻璃结构(图8),在双层玻璃夹层间或双层玻璃内放置CPC(包括倒V型和W型等),以达到聚光集热的作用。
双层玻璃间抽真空相对容易且可长期保持,可减少吸热管与空气对流换热。
作为吸热管的金属管表面涂有可在非真空情况下使用的吸收镀膜。
金属管与玻璃管之间只需用一个隔热的封头联接。
目前正在进行一系列实验,主要解决双层玻璃管与金属管联接处由于导热产生玻璃管裂管问题。
采用双层玻璃结构,结构简单、制作方便、成本很低。
在安装时,可根据现场条件,确定双层玻璃管的长度。
吸热管之间可采用“硬”连接方式,只需要在最终两头留有消化膨胀量结构即可。
四、热管式CPC
热管式CPC是采用具有高效传热性能的热管作为吸热管,放置在CPC渐开线上部,形成的集热器(集热管)。
1单层玻璃热管式CPC
太阳光穿过真空管外层的玻璃管,一部分直接照射到热管上,另一部分照射到聚光板上,聚光板再将太阳光经过一次或多次反射汇聚到热管上(图9)。
热管蒸发段的选择性吸收涂层吸收太阳光,并转化为热能,热管内部的工质受热蒸发,上升至热管冷凝段,将热量传递给热管冷凝段管外的冷却介质,而蒸汽此时冷凝为液体,依靠重力沿热管的内壁面流回到热管的蒸发段,重新循环使用。
这一过程不断重复,以此来吸收太阳能。
热管式CPC是一端封闭的结构,热管的蒸发段(在玻璃管内部分)顶部是自由端,因而不需要膨胀节消化膨胀量差。
热管与玻璃管间仍采用融封连接(适用于集热器或中温集热管)和熔封连接(适用于槽式太阳能热发电,但CPC式集热管不适用于球面碟式)。
2双层玻璃热管式CPC
单层玻璃管内放置CPC,经抽真空后能达到非常好的效果,作为集热器,目前在太阳能热水器中得到应用。
但热管与玻璃间需要用可伐合金件过渡封接,同直通式CPC一样,可以采用双层玻璃结构,在双层玻璃夹层间或双层玻璃内放置CPC(包括倒V型和W型等),以达到聚光集热的作用。
五、自聚光式CPC
上述几种CPC都是由金属反光板制成,放置在玻璃管内。
1979年,R.Winston提出了一种自聚光式结构,直接将玻璃管制成CPC形状,并在其内表面涂上反光材料,作为CPC聚光器使用。
吸热管放置要保证CPC形状的上部吸热(图10)。
自聚光式CPC的主要困难在于玻璃管的制作,其它方面较直通式方便。
除了图10的倒V型结构外,还可制成W型、连续V型、热管式结构,是一个值得研究的方向。
(参考文献编者略)
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