槽式太阳能聚光镜设计及聚焦性能模拟

王磊磊 建筑工程学院

摘要：为使焦面光斑尺寸最小，理论计算了槽式太阳能聚光镜的母线方程。根据蒙特卡洛光线跟踪法及镜面反射定律，对一开口宽度为5.77m，长度为0.4m的槽式太阳能聚光镜的聚焦性能进行了仿真计算。从焦面上的接收能量角度而言，理论分析与仿真结果之间的误差为2.6%。这将对槽式聚光系统的设计及优化提供了可靠依据。

关键词：槽式太阳能聚光镜，聚焦性能，仿真

1前言

槽式太阳能热发电技术是目前最为成熟的太阳能热发电技术，是最早实现大规模应用的太阳能热发电系统，也是目前三种太阳能聚焦热发电系统中唯一实现商业化运行的热发电方式[1]。槽式系统采用抛物线型槽式反射镜面将太阳光聚焦到位于焦线的集热管上（图1），将管内的传热工质（油或水）加热至一定温度，然后经热交换器产生蒸汽驱动汽轮发电机组发电。在开口宽度一定时，为保证焦面光斑尺寸最小，设计合理的槽式太阳能反射镜面，对整个槽式系统的高效运行至关重要。

因此，本文在分析太阳能聚焦理论的基础上，对一开口宽度为5.77m，长度为0.4m的槽式太阳能聚光镜的聚焦性能进行了仿真计算。以对槽式聚光系统的设计及优化提供了可靠依据。

图1 槽式太阳能热发电聚光示意图

2 太阳能聚焦分析理论[2-4]

太阳光线存在32分张角，在太阳能聚焦分析中，假定：

1）在太阳张角内，入射太阳光被认为是各方向辐射照度相同； 2）反射方式只考虑抛物面的镜面反射；

3）当地日照常数取1000W/m2[5]。

太阳光经抛物反射面反射后在XOY平面上形成光路如图2所示。图中o为坐标原点，F为抛物面焦点，A和B分别为抛物面在XOY平面上投影的端点。

θCDFBAoxyφE

图2 聚焦器误差示意图

3 槽式太阳能聚光镜设计算例及结果分析

3.1设计要求

1）采用槽式太阳能聚光镜，槽式聚光镜开口宽度5.77m；

2）焦面光斑尺寸最小；

3）确定槽式太阳能聚光镜母线方程。

3.2 母线方程计算过程

焦面光斑尺寸CD：

2sin2tan4cossin2tan2)cos1(cos2tan4cos2tan2CDAEAEfAF，

所以=45度时，CD最小为0.054m。

此时08.445sin277.5sinoAEAF，

则4825.345sin4)45cos1(77.5sin2)cos1(2)cos1(0oAEAFf，

所以抛物线方程为x2 =13.93y。

3.3 聚焦性能仿真 建立母线方程为x2 =13.93y，开口宽度为5.77m，长度为0.4m的槽式太阳能聚光镜的计算模型，取太阳日照常数为1000W/m2，镜片反射率：0.92，依据文献[2-4]中介绍的蒙特卡洛光线跟踪法及镜面反射定律，对太阳入射光线垂直槽式聚光镜开口面时，聚光镜焦面上的能流分布及能量大小进行数值模拟。垂直于槽式聚光镜开口面的太阳光线，经聚光镜反射，能量汇聚在焦面上并形成光斑，光路示意如图3，焦面上的光斑形状及能流分布的计算结果如图4所示。

图3 光路示意图

a)三维显示 b)二维显示

图4 焦面能流分布及大小

从图4中可以看出，由于太阳张角的存在，太阳光线在焦面上并不是汇聚成一条线，而是形成一个矩形区域，能量峰值为1.5×105 W/m2，且在矩形区域中心，沿槽式聚光镜的长度向外侧递减，在槽式聚光镜宽度方向基本恒定不变，焦面接收的总能量：21233.6W。槽式聚光镜的入射开口面积为5.77×0.4=23.08m2，则入射总能量为23080W。所以槽式聚光镜的聚焦效率为21233.6/23080=0.974，从焦面上的接收能量角度而言，理论分析与仿真结果之间的误差为2.6%。

另一方面，聚焦能量在焦面上主要集中在±0.03m范围内，这与0.054m的焦斑理论计算宽度基本一致。这主要是由于焦斑理论计算宽度CD由CF和FD两段组成，在理论计算时，假定CF和FD两段相等，而实际上FD段要略长于CF段，所以焦斑实际宽度应略长于CD。

4结论

本文在分析太阳能聚焦理论的基础上，对一开口宽度为5.77m，长度为0.4m的槽式太阳能聚光镜的聚焦性能进行了仿真计算。主要得到如下结论：

1）在开口宽度一定时，为保证焦面光斑尺寸最小，设计合理的槽式太阳能反射镜面，根据蒙特卡洛光线跟踪法及镜面反射定律，对一开口宽度为5.77m，长度为0.4m的槽式太阳能聚光镜的聚焦性能进行了仿真计算；

2）由于太阳张角的存在，太阳光线在焦面上并不是汇聚成一条线，而是形成一个矩形区域，能量峰值在矩形区域中心，沿槽式聚光镜的长度向外侧递减，在槽式聚光镜宽度方向基本恒定不变。从焦面上的接收能量角度而言，理论分析与仿真结果之间的误差为2.6%。

参考文献

[1]王亦楠.对我国发展太阳能热发电的一点看法[J].中国能源,2006,28(8):5-10.

[2]许成木,李明,季旭,等.槽式太阳能聚光器焦面能流密度分布的频数统计分析[J],光学学报.2013,33(4):1-7.

[3]Tao Tao, Zheng Hongfei, He Kaiyan, et al. A new through solar concentrator and its

performanceanalysis[J]. Solar Energy,2011,85(1):1982-207.

[4]王磊磊,黄护林.新型太阳能聚焦器焦面能流分布仿真[J].电力与能源,2012,33(2):174-177.

[5]喜文华,魏一康,张兰英.太阳能实用工程技术[M].甘肃:兰州大学出版社,2001.