基于光熱光伏耦合供能新型復合拋物面聚光器性能探究

侯靜，郭梓珩，常澤輝，3，譚兆博

（1.內蒙古建筑職業技術學院 建筑設備與自動化工程學院，內蒙古 呼和浩特 010070；2.內蒙古工業大學能源與動力工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051；3.內蒙古工業大學 太陽能應用技術工程中心，內蒙古呼和浩特 010051）

0 引言

太陽能集熱器的工作溫度會影響其供熱品位，工作溫度越高，其供熱品位越高[1]，受限于地球表面接收到太陽輻射能流密度較低，傳統太陽能集熱器難以獲得較高的集熱溫度，而利用聚光集熱技術，可以提高單位集熱面積的工作溫度，該技術主要包括反射式、透射式和混合式3種。其中，復合拋物面聚光器（Compound Parabolic Concentrator，CPC）是根據邊緣光學原理和幾何光學反射定律設計而成的非成像聚光器，可實現固定放置或季節調整集熱。就聚光性能而言，任何利用成像原理設計而成的系統都達不到非成像光學系統的聚光能力[2]，因此，該類型聚光器具有廣闊的低碳供能應用前景[3]。復合拋物面聚光器具有易于加工、可吸收部分散射光、腔內光線匯聚等特點[4]，引起了研究人員的廣泛關注[5-8]。

對聚光器結構優化設計是提高其性能的有效方法。吳德眾[9]從光學性能角度優化、設計了復合拋物面聚光器的結構，研究了截取比對聚光比、弧長等的影響，建立了能量傳遞數學模型，并與測試結果進行對比驗證，為聚光器的優化設計提供了一種新的方法。趙耀華[10]提出了一種以空氣為傳熱介質的復合拋物面聚光式集、蓄熱一體化系統，建立了復合拋物面聚光器吸收太陽輻射的理論模型，結果表明，太陽方位角在±30°內，該聚光器可吸收太陽輻射總量為15.75 MJ。Ameri M[11]研究了間隙漏光損失對玻璃真空管復合拋物面聚光器光學效率等的影響，得到了影響幾何聚光比關鍵因素，當幾何聚光比為1.63時，太陽輻射接收率達到最高。

研究表明，為了提高復合拋物面聚光器的日有效集熱時長，需要增大其接收半角，但幾何聚光比隨之減小。為此，對傳統復合拋物面聚光器結構進行創新設計具有重大意義。陳飛[12]為了解決復合拋物面聚光器存在的南邊面形利用率低、遮擋光線等問題，構建了貝殼形復合拋物面聚光器數學模型，并利用激光可視裝置對模型進行了驗證。劉雪東[13]在槽式復合拋物面聚光器入光口處增加了光伏組件，集成了一種光熱、光電耦合供能裝置，結果表明，當入射偏角為12°時，裝置光線接收率仍可達到97.50%。Roshdan W N A W[14]根據建筑用能需求，設計了一種新型非對稱雙通道光伏、光熱太陽能空氣集熱器，在最佳流速條件下，與非聚光裝置相比，光熱和光電轉化效率分別提升30.20%和34.40%。

提高非跟蹤復合拋物面聚光器對入射太陽輻射的接收能力一直是本領域的研究熱點。本文根據已研發的復合拋物面聚光器光學特點，通過在焦斑位置處、單層玻璃管上方安裝板背面為鏡面的光伏組件，設計出一種基于光熱、光伏耦合供能的新型復合拋物面聚光器（下文簡稱新型復合拋物面聚光器），光伏組件可對未被光熱轉化的逸出光線進行攔截再利用，提升了聚光器對入射光線的接收能力。利用光學仿真軟件TracePro對新型復合拋物面聚光器與傳統復合拋物面聚光器內光線進行追跡分析，得到光線接收率隨徑向入射偏角的變化規律，在實際環境中，測試、研究了運行工況對新型復合拋物面聚光器瞬時集熱量、光熱轉化效率及輸出電功率等影響。

1 新型復合拋物面聚光器

1.1 新型復合拋物面聚光器結構及光線傳輸原理

圖1 新型復合拋物面聚光器結構及光線傳輸Fig.1 Structure diagram and light transmission of novel CPC

對截面曲線沿軸向進行拉伸形成的新型復合拋物面聚光器3D模型如圖1（b）所示，其中單層玻璃管內插入等長的放射狀金屬接收體，表面噴涂可選擇性吸收涂層。

新型復合拋物面聚光器具備以下特點：①在焦斑位置放置內嵌放射狀金屬接收體的單層玻璃管，可將傳統玻璃真空管表面換熱強化為放射狀金屬接收體內換熱，增加了接收體與傳熱介質的換熱面積以及對入射輻射的轉化能力；②在玻璃管上方豎直放置板背面為鏡面的光伏組件，可以對逸出光線進行攔截再利用，逸出光線能流密度大的一側為光伏組件，可將逸出光線轉化為電能，逸出光線能流密度小的一側為反射鏡面，可將逸出光線再次反射回聚光器；③聚光器在集熱過程中形成的“溫室”效應可以有效減少散熱損失。

1.2 性能評價參數

為了能夠準確評價新型復合拋物面聚光器的光熱性能，本文選用光線接收率ηr、逸光率ηs、瞬時集熱量Qt、光熱轉化效率ηt作為評價參數，其計算式如下：

①光線接收率ηr

式中：N（α）為徑向入射偏角為α時接收體吸收的光線數量，條；N（0）為正入射時入射到復合拋物面聚光器入光口的光線數量，條。

布局需要以物料流動為導向，Milk-run需要定制布局，避免長距離、大面積和較長的交付周期。在理想的情況下，每個加工零件都直接用于下一個生產工序，機器之間的運輸步驟減少能簡化Milk-run系統的使用流程。同時布局必須考慮道路容量，車道需要滿足火車的正常行駛和轉彎需求。用于存放物料的貨架應放置在生產單元附近并與路線相鄰，這樣就可以讓Milk-run司機輕松地把它們裝滿。除了Milk-run火車本身，提供生產的物料也需要空間。倉庫需要提供足夠的面積存放火車等運輸設備。

②逸光率ηs

③瞬時集熱量Qt

式中：m為流經接收體表面空氣的質量流量，kg/s；cp為定性溫度對應的空氣比熱容，J/（kg?K）；Tin，Tout分別為玻璃管進口、出口空氣溫度，℃。

④光熱轉化效率ηt

式中：Gsun為聚光器入光口處的太陽輻照度，W/m2；Sc為聚光器入光口面積，m2；τ1，τ2分別為測試時間起始點和結束點，s。

2 新型復合拋物面聚光器光學性能分析

2.1 影響復合拋物面聚光器內光線傳輸的因素

復合拋物面聚光器工作過程中，當入射偏角小于接收半角時，光線經過一次或多次反射后會全部被聚光器接收；而當入射偏角大于接收半角，光線經過多次反射后將會逸出聚光器。復合拋物面聚光器對追日跟蹤精度要求低主要在于其接收半角大。接收半角和幾何聚光比是決定復合拋物面聚光器光學性能的重要參數，當結構參數確定后，上述兩個參數也就成為定值，通過分析聚光器在不同入射偏角下的光線接收率，可以間接得知復合拋物面聚光器的光學性能。為此，本文對傳統復合拋物面聚光器和新型復合拋物面聚光器光學性能隨入射偏角變化規律展開對比分析，考慮到高緯度地區的實際應用，僅對徑向入射偏角變化條件下的光學性能進行仿真計算。

2.2 新型復合拋物面聚光器模型參數

將圖1中新型復合拋物面聚光器的3D模型導入到光學仿真軟件TracePro中。盡管地球表面接收到的太陽光線有0.53°的張角，但其對新型復合拋物面聚光器聚光性能的影響可忽略[15]，因此，設置的入射光源為平行等距格點光源，其發射的光線數量設置為500×200條，攜帶的輻射能量設置為700 W/m2。根據表1中結構數據對各部件的光學參數進行設置，其中，光伏組件規格尺寸為2 000.0 mm×200.0 mm×3.2 mm，在光學仿真計算中，光伏組件正面設置為接收面，板背面設置為鏡面。

表1 新型復合拋物面聚光器幾何參數與光學參數Table 1 Geometric parameters and optical parameters of novel CPC

2.3 不同徑向入射偏角條件下聚光器內光線追跡

新型復合拋物面聚光器是在保持傳統拋物面聚光器聚光技術優勢的前提下，在逸出光線路徑上，布置可吸收和反射逸出光線的光伏組件。在非追日跟蹤條件下對入射光線的接收能力和效率是檢驗其性能優劣的標準。為此，在不同徑向入射偏角條件下，利用Tracepro對其內部光線進行追跡對比分析。

2.3.1聚光器內光線追跡對比分析

設置光源的軸向入射角為0°，徑向入射偏角α為0～20°，變化幅值為10°。新型復合拋物面聚光器是在傳統復合拋物面聚光器基礎上增加光伏組件和反射鏡，其中光伏組件朝向為右，左側為反射鏡。聚光器內光線追跡如圖2所示，其中左圖為傳統復合拋物面聚光器，右圖為新型復合拋物面聚光器。

圖2 兩種復合拋物面聚光器光線追跡對比Fig.2 Ray tracing comparation of two CPC

從圖2可以看出，當入射偏角為0°時，入射光線經聚光器反射面后均匯聚于焦斑位置的圓柱型接收體表面（等同于內嵌接收體的單層玻璃管），兩種聚光器性能一致。當入射偏角增大為10°時，入射到傳統復合拋物面聚光器兩側反射面上的部分光線經一次反射后逸出，影響了該聚光器的光線接收能力；而新型復合拋物面聚光器右側反射面部分光線經反射后被光伏組件接收。當入射偏角增大到20°時，新型復合拋物面聚光器內光伏組件接收的光線增多，同時，光伏組件板背反射的光線經底部拋物反射面二次反射后聚焦于圓柱接收體上，在一個空腔內實現了板式接收體和圓柱接收體的耦合攔截，明顯提高了對入射太陽輻射的捕獲能力。

2.3.2聚光器光線接收率對比分析

圖3為根據式（1）計算的兩種復合拋物面聚光器光線接收率隨入射偏角的變化結果。

圖3 兩種復合拋物面聚光器光線接收率隨徑向入射偏角變化Fig.3 Variation of overall ray receiving rate of two CPC with radial incident angle

從圖3可以看出，傳統復合拋物面聚光器的光線接收率隨著徑向入射偏角的增大而減??；新型復合拋物面聚光器的光線接收率受徑向入射偏角影響較小，僅在入射偏角為15°有所減小。此外，隨著徑向入射偏角的增大，新型復合拋物面聚光器內光伏組件的光線接收率隨之增加，而圓柱型接收體的光線接收率與傳統復合拋物面聚光器的光線接收率始終保持相近。當徑向入射偏角為20°時，新型復合拋物面聚光器內光伏組件的光線接收率為38.00%，圓柱型接收體的光線接收率為51.00%，此時新型復合拋物面聚光器的逸光率為11.00%，比傳統復合拋物面聚光器的逸光率減少了77.30%，表明新型復合拋物面聚光器具有較好的光線接收能力。

3 新型復合拋物面聚光器光熱性能研究

除了理論上的徑向入射偏角對復合拋物面聚光器光熱性能有影響以外，在實際集熱過程中，復合拋物面聚光器還會受到散射光、風速、玻璃蓋板透光率等諸多因素的影響，為進一步對比兩種復合拋物面聚光器的實際集熱性能差異，本文搭建了聚光器性能測試實驗系統，測試分析兩種復合拋物面聚光器的進、出口溫度、瞬時集熱量、光熱轉化效率等參數，以及新型復合拋物面聚光器電功率輸出性能。

3.1 復合拋物面聚光器性能對比測試實驗系統

復合拋物面聚光器性能對比測試實驗系統由兩種復合拋物面聚光器、空氣介質換熱單元、氣象數據采集單元、運行數據記錄單元、臺架等組成，結構示意如圖4所示。其中，新型復合拋物面聚光器由同規格傳統復合拋物面聚光器內設光伏組件而成，東西放置正南朝向，保證正午時太陽光正入射聚光器內。測試儀器包括太陽能發電監測站系統（測量誤差為2%）、多通道溫度巡檢儀、熱線風速儀（測量誤差為±0.45 m/s）、熱流儀（HFM-201，日本京都電子公司）等，測溫單元為K型熱電偶（測量精度為±0.5℃），并在測試前完成了測試儀器校核、標定。

圖4 復合拋物面聚光器性能測試實驗系統Fig.4 Structure diagram of compound parabolic concentrator performance testing bench

在晴天條件下開展對比測試，測試日期為2022年10月15-20日，測試時間優選為9：00-15：00，測試地點位于內蒙古呼和浩特市（40°50′N，111°42′E）太陽能光熱產業示范基地，溫度采集時間間隔為1 min，換熱空氣介質流速約為3.0 m/s。

3.2 測試結果及分析

測試日的氣象參數隨集熱時間變化趨勢如圖5所示。

圖5 氣象參數變化曲線Fig.5 Variation curve of meteorological parameter

兩種復合拋物面聚光器進、出口空氣溫度曲線如圖6所示。

圖6 兩種復合拋物面聚光器進、出口溫度對比Fig.6 Comparation of inlet and outlet air temperature of two CPC

由圖6可知，新型復合拋物面聚光器與傳統復合拋物面聚光器的進口溫度與出口溫度的變化趨勢一致。其中，二者進口溫度的變化曲線重合，出口溫度受太陽輻照度的影響，其變化曲線隨集熱時間的延長呈現出明顯的先增加后減小的變化趨勢。在11：50-12：10，兩種復合拋物面聚光器的出口溫度相近且均達到最大值，新型復合拋物面聚光器出口溫度為34.2℃，傳統復合拋物面聚光器出口溫度為33.3℃，二者僅相差0.9℃?？紤]到測試所用K型熱電偶的測試精度為±0.5℃，所以認為此時兩種復合拋物面聚光器的供熱溫度相同，表明當太陽光正入射時，兩種復合拋物面聚光器將入射輻射轉化為熱能的能力相近，即增設光伏組件不會降低傳統復合拋物面聚光器的聚光集熱能力，這與前述光學仿真計算結果相符。

兩種復合拋物面聚光器瞬時集熱量隨集熱時間變化如圖7所示。

圖7 兩種復合拋物面聚光器瞬時集熱量對比Fig.7 Comparation of instantaneous heating collection of two CPC

由圖7可知，新型復合拋物面聚光器與傳統復合拋物面聚光器的瞬時集熱量變化趨勢與入射太陽輻照度的變化趨勢一致，在正午前后達到最高值，分別為701.80 W和683.50 W，僅差2.68%，且隨著集熱時間偏離正午時刻，二者的瞬時集熱量同步開始減小。這表明在相近的運行工況下，兩種復合拋物面聚光器的集熱能力相當，且在集熱時間臨近正午時，隨著太陽輻照度值增加、徑向入射偏角減小，二者的集熱能力同時提升。新型復合拋物面聚光器最大光熱轉化效率為73.40%，平均光熱轉化效率為64.90%。這說明在傳統復合拋物面聚光器內，增設光伏組件不會削弱其聚光集熱能力，還能將未被接收體光熱轉化的逸出光線攔截捕獲，并進行光電轉化、輸出電能，無疑增加了傳統復合拋物面聚光器的供能總量與種類，使其兼具高品位電能和低品位熱能的耦合供能特點。

新型復合拋物面聚光器內光伏組件的發電功率隨時間變化曲線如圖8所示。

圖8 光伏組件發電功率隨時間變化Fig.8 Variation of output power of PV module with operating time

由圖8可知，新型復合拋物面聚光器內光伏組件的發電功率呈先增加后減小的變化趨勢，但最大發電功率并未出現在太陽輻照度值最大的12：00，而是出現在11：30左右，為0.54 W，比12：00時發電功率高10.20%。主要是因為光伏組件發電功率受到入射太陽輻射值和接收直射光的有效面積的雙重影響，在12：00時，雖然入光口處的太陽輻照度值最大，但此時入射光線與光伏組件表面平行，光伏組件接收直射光的有效面積近似為零，此時光電轉化所需能量主要來自于聚光器內部的散射輻射；而在11：30時，部分入射太陽光經拋物反射面反射到光伏組件表面，光伏組件接收直射光的有效面積明顯增大，而此時的太陽輻照度值僅比12：00時減小1.90%，因此光伏組件的發電功率峰值出現在11：30左右。在測試時間內，新型復合拋物面聚光器輸出總的電功率為118.40 W。

4 結論

本文研制一種基于光熱、光電耦合供能新型復合拋物面聚光器，利用光學仿真軟件Tracepro對聚光器內光線傳輸進行追跡分析，并與同規格尺寸的傳統復合拋物面聚光器進行對比，展示了兩種復合拋物面聚光器的光線接收率受入射偏角影響的機理?；诠鈱W仿真模擬結果，在實際環境中，搭建復合拋物面聚光器性能測試實驗系統，在額定換熱介質流速下，研究了新型復合拋物面聚光器與傳統復合拋物面聚光器的進、出口空氣溫度、瞬時集熱量、光熱轉化效率等性能參數變化規律，并給出了新型聚光器內光伏組件的發電總功率。

①與傳統復合拋物面聚光器相比，新型復合拋物面聚光器受徑向入射偏角的影響較小。當徑向入射偏角為20°時，新型復合拋物面聚光器光線接收率為89.00%，比傳統復合拋物面聚光器的光線接收率增加了72.82%。

②在實際環境中，新型復合拋物面聚光器與傳統復合拋物面聚光器的光熱轉化能力相近。在正午時分，新型復合拋物面聚光器出口空氣平均溫度為34.2℃、最大瞬時集熱量為701.80 W，與傳統復合拋物面聚光器相差0.9℃和2.68%，且新型復合拋物面聚光器的最大光熱轉化效率為73.40%。

③新型復合拋物面聚光器除了可提供與同規格傳統復合拋物面聚光器相近的熱能以外，還可以對外輸出電能。測試時間內，總發電功率為118.40 W，通過多組新型復合拋物面聚光器的串并聯集成，可提升系統的發電能力。

新型復合拋物面聚光器的熱能輸出與電能輸出在時間上是匹配的，通過串聯或并聯設計，光伏組件輸出的電能可以驅動換熱介質所用風機。單個聚光器內增設的光伏組件市場售價約為100元，占單個聚光器建造費用的12%，量產后所占成本比例將會繼續減小，其在太陽能資源豐富、電力設施匱乏地區供能具有良好的應用前景，對由太陽能獨立供能系統的產業化具有推動作用。