復(fù)合拋物面聚光器_CPC_光學(xué)分析研究

1、第27卷第2期2006年4月能源技術(shù)ENERGYTECHNOLOGYVol.27No.2Apr.2006研究與探索復(fù)合拋物面聚光器(CPC)光學(xué)分析研究劉靈芝1,2,李戩洪1(1.中國科學(xué)院廣州能源研究所,廣州510640;2.中國科學(xué)院研究生院,北京100039)摘要:闡述了復(fù)合拋物面聚光器(CPC)的設(shè)計原理和光學(xué)原理,簡單介紹了復(fù)合拋物面聚光器(CPC)與不同接收器的結(jié)合形式。主要介紹了平板型CPC和圓管型CPC的計算公式的推導(dǎo)結(jié)果最后主要說明了截取比在CPC,認(rèn)為合適的截取比可增加CPC,對。關(guān)鍵詞:復(fù)合拋物面聚光器(CPC);平板接收器;中圖分類號:TK513.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A)02

2、20052205ofCompoundParabolicCPC)LIULing2zhi1,2,LIJi2hong(1.GuangzhouInstituteofEnergyConversion,ChineseAcademyofSciences,Guangzhou510640,China;2.GraduateSchooloftheChineseAcademyofScienceBeijing,Beijing100039,China)Abstract:Thepaperexpoundsthedesigntechniqueandopticalperformanceofthecompoundparabolic

3、concentrators(CPC)andintroducesthedifferentCPCtypescombinedwithdifferentabsorbers.ThedesignmethodofflattypeandtubularabsorberCPCisintroducedandthecalculationprocessaboutsomeoftheircharacteristicislisted.Thetruncationisalsodetailedlydiscussed.Itisprovedthatappropriatetruncationcanimprovetheusingofthe

4、CPCandreducetheuseofmaterial,itispropitioustodeveloptheCPC.Keywords:compoundparabolicconcentrators(CPC);flatreceiver;tubularabsorber;truncation復(fù)合拋物面聚光器(CPC)是一種根據(jù)邊緣光學(xué)原理設(shè)計的非成像聚光器,入射陽光在CPC中通過幾次反射到達(dá)接收表面,流失較少,還可對斜入射的太陽光進(jìn)行有效收集,達(dá)到最大理論聚光比,性能非常接近于理想聚光器。CPC的運行不需要隨時跟蹤太陽位置,只需根據(jù)季節(jié)調(diào)節(jié)方位,結(jié)構(gòu)簡單,操作控制方便。非成像的CPC聚光比一般不超過

5、15,工作溫度范圍為80250,是具有一定特色的中溫聚光集熱器1。對CPC的研究是在20世紀(jì)60年代開始的,最初的研究重點是對二維和三維復(fù)合拋物面聚光器的幾何結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行探討,在應(yīng)用上除了收集太陽能外還涉及到其他領(lǐng)域,例如用三維復(fù)合拋物面聚光器對紅外線進(jìn)行收集等2。70年代末期,研究工作有很大進(jìn)展,內(nèi)容包括CPC與不同形式的接收52器的結(jié)合和CPC的設(shè)計研究3,4,對CPC的光學(xué)性能和熱性能進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究等58。但是在這些研究中,CPC的接收器大部分為平板接收器,只有少量非真空圓管接收器和極少的真空圓管接收器,而且以小聚光型為主9,10,主要用于太陽能熱水器或熱水系統(tǒng),經(jīng)濟(jì)性和實用性都不

6、強(qiáng)。近10年來CPC的研究重點為圓管型(包括非真空圓管和真空管),目的是為了得到較高溫度的熱載體,甚至是得到蒸汽。例如文獻(xiàn)11,12用圓管型CPC系統(tǒng)產(chǎn)生蒸汽,可供烹飪;湘潭大學(xué)袁勝利等提到用太陽能熱管集熱器與CPC系統(tǒng)結(jié)合,生產(chǎn)采用幾何聚光比為5的CPC系統(tǒng),最終得到的160飽和水蒸氣,流量為2.85kg/h13。隨著人們對應(yīng)用中經(jīng)濟(jì)性的考慮,最近的研究中關(guān)于截取比也是一個熱點14,15,部分學(xué)者還對非對稱型CPC系統(tǒng)進(jìn)行了研究。© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights re

7、served. 劉靈芝等:復(fù)合拋物面聚光器(CPC)光學(xué)分析研究本文準(zhǔn)備簡單介紹復(fù)合拋物面聚光器(CPC)與不同接收器的結(jié)合形式。主要介紹平板型CPC和圓管型CPC的設(shè)計方法和對相關(guān)量的計算公式進(jìn)行推導(dǎo)。最后重點分析研究截取比在CPC系統(tǒng)中對系統(tǒng)效率和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性的影響。1復(fù)合拋物面聚光集熱器1.1聚光原理CPC的主體部分為兩片拋物面反射板,縱切面如圖1。圖中AC和BD為拋物線,關(guān)于中心軸對稱;AD和BC為CPC的入射限制線,分別與拋物線的主軸平行(或為CPC的主軸);入射限制線與對稱軸夾角稱為接收半角。當(dāng)從CPC上端開口入射的光線入射角小于或等于時,可直接,入射角大于時,次反射從的上端口射出

8、不能被利用。所以在CPC中是聚光比:C=1/sin1.2CPC與接收器的結(jié)合CPC可以和不同的接收器相結(jié)合,比較常見的圖2CPC與不同形狀的接收器相結(jié)合圓的漸開線,點F(圓的上頂點)為兩拋物線共同的焦點。h為從圓心算起的CPC的高度。2典型的CPC系統(tǒng)圖1CPC剖面圖CPC可以有不同形式18,其中對稱的平板型和一個關(guān)鍵的參數(shù),它的大小直接決定了CPC的幾何圓管型CPC系統(tǒng)研究得比較多。2.1平板型CPC系統(tǒng)平板型CPC系統(tǒng)主要由兩個部分組成:拋物形反光板和平板接收器。文獻(xiàn)1給出一些關(guān)于平板型CPC的相關(guān)量的計算公式。聚光器的焦距:f=有4種16217,這些接收器在CPC中的位置不同,要求CPC

9、的焦點位置也不同,如圖2。(1)平板型接收器接收器為CPC下端長度為d2的平板;CPC的焦點在拋物線的下端;右拋物線的主軸過左拋物線下端點并平行于左拋物線的上端點與右拋物線的下端點的連線。(2)豎板型接收器接收器為長度為d2的雙面接收的豎直板;兩條拋物線的焦點重合在豎直板的上端點;拋物線的主軸為圖上的虛線;CPC兩側(cè)為兩條拋物線,下端是一條以拋物線焦點為圓心以接收器高度d2為半徑的圓弧。(3)三角型接收器接收器為由長度分別為d2,夾角為2的兩條半拋物線組成;兩條拋物線的焦(sin+1)聚光器的高度:h=(=(d1+d2)ctg22C-1)d2根據(jù)這些公式,進(jìn)一步計算可以推導(dǎo)得出拋物線的弧長(拋

10、物線先轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)形式):l=(2f2+4f22+2fInx+22x+4f)x2x1接收器的長度為L,則整個反光板的面積為:S=2Ll=f+4f+22+4f)x2x1222f2In(x+2.2圓管型CPC系統(tǒng)點重合在兩板的交點上。(4)圓管型接收器接收器為圓管;CPC反光板由圓(半徑為r)的漸開線和焦點為圓的上頂點的兩段拋物線組成,AC和BD為拋物線,CE和DE為圓管型CPC系統(tǒng)的底部具有漸開線形狀,進(jìn)入CPC下端,落在漸開線上的光線最終都能反射到圓53© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All

11、 rights reserved. 劉靈芝等:復(fù)合拋物面聚光器(CPC)光學(xué)分析研究管接收器上1118。2.2.1系統(tǒng)方程19左漸開線:x=-rsint+costy=-rcost-sint右漸開線:x=rsint-costy=-rcost-sint舍五入以及畫圖的程序采用由小段線連接成整個拋物線,而且這個描敘本身與理想情況存在一定偏差。不過由于拋物線的定義很明確,拋物線部分容易轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的拋物線方程形式,便于計算拋物線部分的弧長和整個反光板的面積,這對于了解用材量和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析還是很有幫助的。表1根據(jù)C理論繪圖的圓管型CPC的參數(shù)C理論=r+式中;0t/2。-ysin+rsin)2=左拋物

12、線:(xcos+ycos+f-rcos)4f(xsin+ysin-rsin)2=右拋物線:(xcos+ycos+f-rcos)4f(-xsin2.2.2相關(guān)量的計算公式寬/mm高/mm307.7799693.C實際C理論234530°297.670219.5°438.271589503.4.52475.250%6.997%9.775%9.506%14.5°566.57431與其他的聚光器相比,CPC的反光板面積較大,但是反光板的上部聚光效果較差,因此隨著反光板高度的增加聚光比增加很小,特別在聚光比較高的CPC中表現(xiàn)得更加明顯。實際應(yīng)用時適當(dāng)截去上面低效部分,可以減

13、少用材降低成本,使性價比提高。平板型CPC經(jīng)過截取后的高度與原高度的比值,圓管型CPC經(jīng)過截取后開口到圓管接收器圓心間的距離與原來的距離之比,稱之為截取比。截取比減小會造成聚光比減小,因開口和半角增大所增加的光線雖然部分會從上下端口射出,但還可以起到一定的補(bǔ)償效果,還可延長運行時間。圖3表示了3種平板型CPC的截取比和聚光比之間的關(guān)系?？梢钥吹疆?dāng)截取比較大(即截去的部分較少)時,聚光比的減小很少,一般截取比大于1/2時聚光比減小的很緩慢;只有當(dāng)截取比小于1/2時聚光比才迅速減小。綜合考慮系統(tǒng)效率和它的經(jīng)濟(jì)性,選擇截取比為2/31/2時是比較理想的。圖4顯示了平板型CPC的實際聚光比與開口角度之

14、間的關(guān)系。可以看出:經(jīng)過截取后的CPC開口半角增大。為了獲得同樣的聚光比,經(jīng)過截取后的CPC開口半角也要大些。例如C理論為3的CPC的開口半角為19.5°,C理論為4的CPC經(jīng)截取的開口半角為36.74°C理論為5的CPC經(jīng)過截取開口半角為41.36°,三者得到的實際聚光比相同。令光線入射角為t,截取后CPC開口半角為d,CPC接收器上接收到的光線數(shù)量與從上端開口射通過計算推導(dǎo),(1)rctg+rCh=C(2)+cos+f=18022+cos)2+2180(3)左右拋物線頂點坐標(biāo)分別為(-fsin,r-fcos)和(fsin,r-fcos)(4)反射板弧長1-si

15、n)2+(漸開線部分:l1=22ft22+=22()+2180拋物線部分(拋物線先轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)形式):l2=2+4f+22+4f)x2x1222f2In(x+(5)整個反光板的面積S=2L(l1+l2)根據(jù)以上介紹的CPC的特征畫出的CPC反光板的實際幾何聚光比比理論幾何聚光比小,即C實際,而且隨著的減小,偏離越大。表1列小于1/sin出了理論幾何聚光比為25時畫圖出來的實際情況:包括開口寬度、CPC從圓的圓心到開口的高度、實際幾何聚光比和理論與實際的幾何聚光比之差。從表上可以看出畫圖出來的實際幾何聚光比偏離理論聚光比比較大,從為30°時偏離5.25%到11.5°時9.506

16、%。造成較大偏差的原因主要是計算時四54入的光線數(shù)量之比為F(t),那么對于未截取的CPC的F(t)可表示為:© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 劉靈芝等:復(fù)合拋物面聚光器(CPC)光學(xué)分析研究這種差距增大。例如當(dāng)C實際為2.7901時,被截取后為14.5°的CPC用材是未被截取的為19.5°的CPC的52.34%;而被截取的為11.5°的CPC用材是未被截取的為19.5°的CPC的45.76%。圖6直觀地顯示了

17、實際聚光比與反光板高度之間的變化關(guān)系。從圖上易得:當(dāng)CPC的反光板的高度相同時,原來理論聚光比較高的CPC經(jīng)過截取后聚光比明顯隨高度增加。圖3截取比和C實際的關(guān)系圖圖5實際聚光比與反光板總弧長關(guān)系圖圖4C實際與開口半角關(guān)系圖);F(t)=0(|t|>)F(t)=1t/(|t|經(jīng)過截取的CPC的F(t)表達(dá)方式卻有所不同14。對于平板型CPC:1F(t)=t1-<td;2Ctgd01F(t)=t>d對于圓管型CPC(忽略/2的情況):d>t1-(1+Ccosd)<td;2Ccostt>d圖6實際聚光比與反光板高度關(guān)系圖+20圖7和圖8顯示理論聚光比為5的平板型

18、和圓管型CPC經(jīng)截取后實際聚光比及其減少量C?？梢钥闯?兩種CPC聚光比都隨截取比的減小而減小,圓管型在截取比大于1/2時變化相對平緩。總的來講,對CPC進(jìn)行適當(dāng)截取能保證聚光比略有減少但用材量可以大大減少,從經(jīng)濟(jì)的角度上考慮是很有必要的。所以如果要選擇一定聚光比的CPC時,可以選擇聚光比比較高的CPC進(jìn)行截取,比較節(jié)省材料,而且光效率也有一定的提高。時,入從公式可以看出:截取后的CPC在t射光線仍舊被反射到接收器上;而當(dāng)<td時,雖然入射光線中的一小部分不能反射到接收器上,但大部分能被接收器接收,吸收總量相應(yīng)的增加了。截取后的CPC的光效率也將有相應(yīng)的提高,這是因為接收器收到的直射增加

19、,散射光線基本不變,FBD提高;以及平均反射次數(shù)的減小。圖5顯示了實際聚光比與反光板總弧長的變化關(guān)系。可以看出:當(dāng)實際聚光比相同時,理論聚光比小的反光板的總弧長比較大,隨著實際聚光比增加5結(jié)論本文闡述了復(fù)合拋物面聚光器(CPC)的設(shè)計原理和光學(xué)原理,并簡單介紹了復(fù)合拋物面聚光器(CPC)與不同接收器的結(jié)合形式。文中主要介紹了55© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 劉靈芝等:復(fù)合拋物面聚光器(CPC)光學(xué)分析研究北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,1987.2美愛

20、德華安德遜著.太陽能基礎(chǔ)原理及其在工程中的應(yīng)用(二)太陽能轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)M.西安:西安地區(qū)新能源技術(shù)開發(fā)服務(wù)中心西安太陽能利用所,1986.3SrinivasanM,KulkarniLV,PasupathyCS.SimpleTechniqueofFabricationofParaboloidalConcentra2torsJ.SolarEnergy,1979,22(5):4632465.4RablA,OGallagherJ,WinstonR.DesignandTestofNon-EvacuatedSolarCollectorsWithCompoundPar2abolicConcentratorsJ.

21、SolarEnergy,1980,25(4):3352351.圖7C理論為5的平板型和圓管型CPC經(jīng)截取的C實際5ChewTC,WijeysunderaNE,AO.Experimentalstudyofreeparabolicconcen2()SolarEnergyEn2,theASME,1988,110(4):D,OGallagherJ,WinstonR.Thermalandopti2calperformancetestresultsforcompoundparabolicconcentrators(CPCs)J.SolarEnergy,1990,44(5):2572270.7EamesPC

22、,NortonB.DetailedparametricanalysesofheattransferinCPCsolarenergycollectorsJ.SolarEnergy,1993,50(4):3212338.8FaroukKothdiwalaA,NortonB,EamesPC.The圖8C理論為5的平板型和圓管型CPC經(jīng)截取的Ceffectofvariationofangleofinclinationontheper2formanceoflow-concentration-ratiocompoundparabolicconcentratingsolarcollectorsJ.Solar

23、En2ergy,1995,55(4):3012309.9CollaresPereiraM,DuqueJ,JoyceA,DelgadoM,Ser2rudoG,Rego-TeixeiraA.3XCPCTypeconcentratorwithtubularreceiverandtubularglassenvelopetore2duceconvectivelosses-descriptionandperformanceJ.PergamonPress,1982,2:171821722.10Collares-PereiraM.DescriptionandtestingofANon-evcuated1.5m

24、ultipliedbyCPCCollectorthermalperformancecomparisonwithothercollectortypesJ.JournalofSolarEnergyEngineering,TransactionsoftheASME,1985,107(4):2772280.11ROommen,SJayaraman.Developmentandperform2anceanalysisofcompoundparabolicsolarconcentra2torswithreducedgaplosses-oversizedreflectorJ.EnergyConversion

25、andManagement,2001,42:137921399.12RachelOommen,SJayaraman.Developmentandperformanceanalysisofcompoundparabolicsolarconcentratorswithreducedgaplosses-Vgroovere2flectorJ.RenewableEnergy,2002,27:2592275.(下轉(zhuǎn)第59頁)平板型CPC和圓管型CPC的設(shè)計方法并給出了相關(guān)量的計算公式。最后重點說明了截取比在CPC系統(tǒng)中對系統(tǒng)效率和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性的影響。(1)適當(dāng)對CPC進(jìn)行截取可以在損失少量的聚光比的情況下

26、大幅度增大CPC開口角度,讓CPC接收更多的入射光線,同時增長CPC接收太陽光的時間,提高CPC的利用率。(2)截取CPC可以大大的節(jié)省材料,減少制造成本提高性價比。(3)只要截取比大于1/2,實際聚光比減小很緩慢;但當(dāng)截取比小于1/2時,實際聚光比迅速減小。綜合考慮系統(tǒng)效率和它的經(jīng)濟(jì)性,選擇截取比為2/31/2時是比較理想的。(4)截取后的CPC的光效率也能相應(yīng)提高?？傊?對聚光比較高的CPC進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕厝?無論從光效率還是從經(jīng)濟(jì)的角度考慮對CPC系統(tǒng)都是有利的,對于CPC的推廣應(yīng)用很有意義。參考文獻(xiàn):1郭廷瑋,劉鑒民,MDAGUENET.太陽能的利用M.56© 1994-2009

27、 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 吳英等:床料對流化床顆粒層過濾器過濾元件的壓降的影響表4床料高度為70mm時系統(tǒng)各部分壓力和風(fēng)量的平均增速床料石英砂黃砂爐膛壓力過濾元件壓力布風(fēng)板壓力Pamin-1Pamin-1242540Pamin-1-16-26風(fēng)量平均增速m3h-1min-1-1.9-2.83結(jié)論與展望從實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):采用石英砂作床料時系,系統(tǒng)各部分的,但是在,最。因此保持元件表面下一步工作打算圍繞保持元件表面顆粒層穩(wěn)定性,研究床料循環(huán)再生的最優(yōu)方案,將去除了細(xì)灰的再生床料回送入流化床,穩(wěn)定料層高度,進(jìn)而利用強(qiáng)烈湍流運動的床料粒子對元件表面顆粒層的清潔作用,維持元件表面顆粒層在恰當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi),使得過濾系統(tǒng)能有更長周期的穩(wěn)定運行。參考文獻(xiàn):1傅文玲.歐洲潔凈煤技術(shù)的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較J.中圖5石英砂料高70mm的結(jié)果時,過濾系統(tǒng)穩(wěn)定運行的時間要遠(yuǎn)長于采用黃砂,而且系統(tǒng)各部分壓力隨時間變化也呈很好的線性關(guān)系。從表3和表4中可以看出,采用石砂英時,多,大時,2min就超過量程,故圖3;而且過濾元件的初始壓力較之50mm時大了一倍,布風(fēng)板的初始壓力則少了3kPa,導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出力不夠,因而起始風(fēng)量