CN110411041A - 具有二次反射镜的槽式聚光发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有二次反射镜的槽式聚光发电系统，包括：一次反射镜、集热管和二次反射镜，所述一次反射镜的曲面型线为抛物线，所述集热管位于一次反射镜的焦点，所述二次反射镜的曲面型线由多条焦距不同的抛物线组成，且二次反射镜的曲面型线涉及的所有抛物线焦点与一次反射镜共焦点，使得太阳光线照射在一次反射镜上，经过一次反射镜的反射后，一部分光线直接照着在集热管上，另一部分照射在二次反射上，经过二次反射的反射后到达集热管上。本发明保证了经过二次反射镜反射的光线最大限度的垂直照射在集热管上，提高了光学效率，降低了建设成本。

Description

具有二次反射镜的槽式聚光发电系统

技术领域：

本发明属于太阳能聚光集热技术领域，尤其涉及一种具有二次反射镜的槽式聚光发电系统。

背景技术：

太阳能无疑是目前地球上可以开发的最大可再生能源，太阳能的聚光利用形式分为碟式、塔式、槽式及线性菲涅尔式。槽式发电技术最为成熟，占太阳能聚光热发电市场的90％以上，也是目前唯一能商业化的太阳能热发电产品。

大开口、高聚光比是目前提高集热温度、降低投资成本最有效的方法。在大开口高聚光比系统中，需要在传统的系统中加入二次反射镜，将更多的光线聚集在集热管上。目前的二次反射镜主要分为复合抛物面(Compound Parabolic Concentrator(CPC))型、平板型和梯形。但是这些都不能将反射到二次上的光线最大限度的垂直照射在集热管上，造成光学效率下降。因此为了提高光学效率，急需设计一种能将太阳光线最大限度的垂直照射在集热管上，提高光学效率、降低投资成本。

发明内容：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有二次反射镜的槽式聚光发电系统，提高光学效率、降低投资成本。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来具体实现：

本发明的一种具有二次反射镜的槽式聚光发电系统，包括：一次反射镜、集热管和二次反射镜，所述一次反射镜的曲面型线为抛物线，所述集热管位于一次反射镜的焦点，所述二次反射镜的曲面型线由多条焦距不同的抛物线组成，且二次反射镜的曲面型线涉及的所有抛物线焦点与一次反射镜共焦点，使得太阳光线照射在一次反射镜上，经过一次反射镜的反射后，一部分光线直接照着在集热管上，另一部分照射在二次反射上，经过二次反射的反射后到达集热管上。

所述的具有二次反射镜的槽式聚光发电系统，所述的二次反射镜的曲面型线的多条焦距不同的抛物线的设计步骤如下：

(1)确定第一段抛物线：

令一次反射镜边缘反射光线的反射角为β，则其反射光线方程为：

式中：f为一次反射镜的焦距，为边缘角。

β的计算公式如下：

式中，为边缘角，α为最大误差角。

以一次反射镜与二次反射镜共同的焦点作为原点，角度为β的一次反射镜边缘反射光线与y轴相交作为二次反射镜的起始点，该起始点距原点的距离：

取步长角度为γ，要求在步长角度范围内光线最大限度的照射在集热管中心，选取步长的中心点处光线照射在集热管中心，第一段抛物线焦距的角度为β-0.5γ，第一段抛物线焦距的焦距f₀：

式中，ε₀为角度为β的一次反射镜边缘反射光线与y轴相交作为二次反射镜的起始点的距离h₀的方向角度，ε₀＝90°，根据第一段抛物线焦距的角度β-0.5γ，第一段抛物线的焦距f₀设计出第一段抛物线，抛物线方程为：

(2)确定第二段抛物线：

步长角度为γ，第二段抛物线以角度β-γ的反射光线开始，光线方程为：

角度为β-γ的光线与第一段抛物线相交，该交点距原点的距离为h₁，h₁的角度为ε₁，h₁和ε₁的数据经过测量所得，第二段抛物线焦距f₁的角度为β-1.5γ，第二段抛物线焦距f₁的长度为：

根据第二段抛物线焦距f₁的角度β-1.5γ和第二段抛物线焦距f₁设计出第二段抛物线，抛物线方程为：

(3)以此类推确定下一段抛物线，确定完最后一段抛物线，结束循环，集热管半径R：

所述的具有二次反射镜的槽式聚光发电系统，所述步长角度γ的值大于允许最大误差角α的值。

所述的具有二次反射镜的槽式聚光发电系统，第i段抛物线焦距f_i的角度为β-0.5γ-iγ，即该段步长的中心点处的光线照射在集热管中心。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.二次反射镜采用自适应算法，保证了经过二次反射镜反射的光线最大限度的垂直照射在集热管上，提高了光学效率；

2.集热管中心依然位于一次反射镜的焦点，最大限度的将一次反射镜反射的光线照射在集热管上，提高光学效率；

3.增大聚光器开口和提高聚光比的同时，保证了光学效率，降低了建设成本。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为本发明的二次反射镜的设计原理图。

图3为本发明的二次反射镜二维图。

图4为本发明的集热管上热流密度示意图。

图5为本发明的流体出口温度图。

图6为本发明的集热管上温度分布图。

具体实施方式

本发明的一种具有二次反射镜的槽式聚光发电系统，包括：一次反射镜、集热管和二次反射镜，所述一次反射镜的曲面型线为抛物线，所述集热管位于一次反射镜的焦点，所述二次反射镜的曲面型线由多条焦距不同的抛物线组成，且二次反射镜的曲面型线涉及的所有抛物线焦点与一次反射镜共焦点，使得太阳光线照射在一次反射镜上，经过一次反射镜的反射后，一部分光线直接照着在集热管上，另一部分照射在二次反射上，经过二次反射的反射后到达集热管上。

所述的具有二次反射镜的槽式聚光发电系统，所述的二次反射镜的曲面型线的多条焦距不同的抛物线的设计步骤如下：

(1)确定第一段抛物线：

令一次反射镜边缘反射光线的反射角为β，则其反射光线方程为：

式中：f为一次反射镜的焦距，为边缘角。

β的计算公式如下：

式中，为边缘角，α为最大误差角。

以一次反射镜与二次反射镜共同的焦点作为原点，角度为β的一次反射镜边缘反射光线与y轴相交作为二次反射镜的起始点，该起始点距原点的距离：

取步长角度为γ，要求在步长角度范围内光线最大限度的照射在集热管中心，选取步长的中心点处光线照射在集热管中心，第一段抛物线焦距的角度为β-0.5γ，第一段抛物线焦距的焦距f₀：

式中，ε₀为角度为β的一次反射镜边缘反射光线与y轴相交作为二次反射镜的起始点的距离h₀的方向角度，ε₀＝90°，根据第一段抛物线焦距的角度β-0.5γ，第一段抛物线的焦距f₀设计出第一段抛物线，抛物线方程为：

(2)确定第二段抛物线：

步长角度为γ，第二段抛物线以角度β-γ的反射光线开始，光线方程为：

角度为β-γ的光线与第一段抛物线相交，该交点距原点的距离为h₁，h₁的角度为ε₁，h₁和ε₁的数据经过测量所得，第二段抛物线焦距f₁的角度为β-1.5γ，第二段抛物线焦距f₁的长度为：

根据第二段抛物线焦距f₁的角度β-1.5γ和第二段抛物线焦距f₁设计出第二段抛物线，抛物线方程为：

(3)以此类推确定下一段抛物线，确定完最后一段抛物线，结束循环，集热管半径R：

所述的具有二次反射镜的槽式聚光发电系统，所述步长角度γ的值大于允许最大误差角α的值。

所述的具有二次反射镜的槽式聚光发电系统，第i段抛物线焦距f_i的角度为β-0.5γ-iγ，即该段步长的中心点处的光线照射在集热管中心。

下面通过一个具体的实例进行验证说明。

一次抛物线反射镜开口宽度M＝8000mm，边缘角焦距f＝4289mm，允许最大误差角α＝0.5°，步长角度γ＝5°，长度L＝4000mm。根据上述的设计方法和设计原理得到的二次反射镜如图3所示。采用标准化LS-3提供的跟踪参数，将模型导入SolTrace中进行仿真模拟。太阳直射辐射强度(DNI)为1000w/m²，得到的结果如图4所示。

1.光学效率的计算

将LS-3数据导入上述模型得到光学效率为80％，完全符合给定的标准值。SolTrace仿真结果显示：优化后集热管上最大热流密度为50364.0w/m²，平均热流密度为27157.7w/m²，最小热流密11103.3w/m²，光学效率η_opt：

式中：E_ave为平均热流密度，NDI为太阳直射辐射强度。经计算光学效率为74.65％。

2.集热管上热流密度均匀性的计算

导出集热管上热流密度数据，进行数据拟合得到集热管上热流密度E_θ跟集热管周向角度θ的关系如下所示：

拟合度Adj,R-S分别为0.9993,0.9945,0.9996。计算得到的集热管上热流密度的均匀度N为：

式中，x₁和x₂代表起点和终点。

3.热效率及最大温差计算

传热介质采用熔融盐(60NaNo3+40NaNo3)，其中二元熔融盐(60NaNo3+40NaNo3)的热物性参数随温度的变化规律如下：

式中：ρ为密度Kg/m³；C_p为比热，J/(kg.k)；λ为导热系数w/(m.k)；μ为动力粘度mp_a.s；P_r为普朗特数，T为温度。

管内流动模型选择采用κ-ε标准湍流模型，控制方程如下所示。

连续性方程：

能量方程：

动量方程：

k-ε方程:

其中：

其中，标准常数c₁＝1.44，c₂＝1.92，c_u＝0.09,σ_k＝1.0，σ_ε＝1.0和σ_T＝1.85。u为x方向速度，G_k为平均速度梯度产生的湍流动能。

边界条件：

集热管周向热流密度如图4所示；

进口温度为563.15K，速度为0.5m/s；

不锈钢的长度为4m，粗糙度为0.15mm；

环境温度为300K，天空辐射温度为287K，真空夹层为空气的对流换热系数为0.0001115W/m²K，接受管的选择性涂层的发射率0.09728。

Fluent 17.1的仿真结果显示，速度为0.5m/s时，出口平均温度如图5所示，出口温度为569.64341K，熔融盐吸收的热量后的热效率η_th：

热效率为70.36％。

Fluent 17.1数值模拟显示集热管周向温度如图6所示，集热管上最大温度为589.34K，最小温度为571.16K，最大温差为18.18K。

最后应说明的是：以上所述仅为发明的优选实施例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有二次反射镜的槽式聚光发电系统，其特征在于：包括：一次反射镜、集热管和二次反射镜，所述一次反射镜的曲面型线为抛物线，所述集热管位于一次反射镜的焦点，所述二次反射镜的曲面型线由多条焦距不同的抛物线组成，且二次反射镜的曲面型线涉及的所有抛物线焦点与一次反射镜共焦点，使得太阳光线照射在一次反射镜上，经过一次反射镜的反射后，一部分光线直接照着在集热管上，另一部分照射在二次反射上，经过二次反射的反射后到达集热管上。

2.根据权利要求1所述的具有二次反射镜的槽式聚光发电系统，其特征在于：所述二次反射镜的曲面型线的多条焦距不同的抛物线的设计步骤如下：

(1)确定第一段抛物线：

令一次反射镜边缘反射光线的反射角为β，则其反射光线方程为：

式中：f为一次反射镜的焦距，为边缘角；

β的计算公式如下：

式中，为边缘角，α为最大误差角；

以一次反射镜与二次反射镜共同的焦点作为原点，角度为β的一次反射镜边缘反射光线与y轴相交作为二次反射镜的起始点，该起始点距原点的距离：

取步长角度为γ，要求在步长角度范围内光线最大限度的照射在集热管中心，选取步长的中心点处光线照射在集热管中心，第一段抛物线焦距的角度为β-0.5γ，第一段抛物线焦距的焦距f₀：

式中，ε₀为角度为β的一次反射镜边缘反射光线与y轴相交作为二次反射镜的起始点的距离h₀的方向角度，ε₀＝90°，根据第一段抛物线焦距的角度β-0.5γ，第一段抛物线的焦距f₀设计出第一段抛物线，抛物线方程为：

(2)确定第二段抛物线：

步长角度为γ，第二段抛物线以角度β-γ的反射光线开始，光线方程为：

角度为β-γ的光线与第一段抛物线相交，该交点距原点的距离为h₁，h₁的角度为ε₁，h₁和ε₁的数据经过测量所得，第二段抛物线焦距f₁的角度为β-1.5γ，第二段抛物线焦距f₁的长度为：

根据第二段抛物线焦距f₁的角度β-1.5γ和第二段抛物线焦距f₁设计出第二段抛物线，抛物线方程为：

(3)以此类推确定下一段抛物线，确定完最后一段抛物线，结束循环，集热管半径R：

3.根据权利要求2所述的具有二次反射镜的槽式聚光发电系统，其特征在于：所述步长角度γ的值大于允许最大误差角α的值。

4.根据权利要求2所述的具有二次反射镜的槽式聚光发电系统，其特征在于：第i段抛物线焦距f_i的角度为β-0.5γ-iγ，即该段步长的中心点处的光线照射在集热管中心。