点、线耦合聚焦复合菲涅尔反射式太阳能集热转换机理研究

This project involves the fundamental research on one kind of point/linear focus combined Fresnel reflective solar collection method. The research work includes: to study the mechanisms of the point/linear focus combined Fresnel reflective solar conversion; to develop an analytical theory based on heat removal factor and thermal efficiency factor, considering the reflector, the distribution of the mirror module, 2nd reflector configuration, as well as the solar absorber; to obtain the optimal operation and configuration parameters; to study the dynamic performance of this solar energy conversion process, and identify the influence of the mirror field; to acquire the inherent relation of the first and the 2nd reflectors, and realize the uniform distribution of sun light focus area. The novel point of this project is to find a novel concentrated solar energy conversion method based on Fresnel optical reflection, and approach the purpose of low cost, high reliability and high efficiency. The work in this project is expected to break through the limits of relatively lower concentration ratio, and higher thermal losses for the conventional line- focus Fresnal solar collector, and pave a way for using fresnal reflection in solar thermal power generation, etc.

本项目针对一种点、线耦合聚焦复合菲涅尔反射式太阳能集热方法进行研究，研究内容包括揭示点、线耦合聚焦复合菲涅尔反射式太阳能集热机理；建立基于热迁移因子和效率因子的集热性能分析理论，将集热镜面，镜场分布，二次反射镜面参数以及吸收器结构和运行参数统一起来，获得各参数之间的定量影响关系；研究能量在该集热方式下高效聚集及光热转换过程动态变化规律，分析若干集热单元联合使用条件下，集热单元分布对集热过程的影响；研究一次镜场与二次反射镜面的耦合匹配关系，实现聚光光斑的有效控制等。项目的创新点在于能够发展一种低成本、高可靠性、高效率的二次反射式太阳能光热转换新方法，突破传统线聚焦菲涅尔反射集热器集热效率不高、聚焦比低的限制，为将菲涅尔反射集热方法用于塔式太阳能热发电聚焦集热系统提供一种新的思路。

新型高效的聚光集热理论与系统结构优化对提高BD塔式系统光热转换效率尤为重要，本项目围绕一种新型的菲涅尔反射式点线耦合聚焦太阳能集热系统，以光学和热学为理论基础，以MCRT光学分析模型、MCRT与CFD耦合三维计算模型以及基于多参数的通用型热迁移因子一维分析模型为核心，着重分析基于线菲定日镜的点线耦合聚焦太阳能集热系统的光能传输机理与光热转换特性，具体开展了以下工作：.首先，设计构建了点线耦合聚焦集热系统，建立了基于MCRT算法的点线耦合聚焦系统的光学分析模型，形成了适用于点线耦合聚焦集热系统光学性能评价指标。.其次，搭建了基于圆锥形腔体接收器的小规模点线耦合聚焦集热系统实验平台，对圆锥形腔体接收器的集热性能进行了实验分析，获得了归一化热效率公式，确定了光学效率及热损失相关参数。建立了两种点线耦合聚焦集热系统的光热转换分析模型，分别为基于热迁移因子理论的一维分析模型以及基于MCRT与CFD耦合的三维分析模型。基于上述实验数据，比对了实验值与理论分析值之间的误差，误差分析表明本文建立的两种分析模型具有较高的可信度，三维分析模型的相对偏差范围为-3%‒15%，一维分析模型的相对偏差范围为3.8%-25%，能够较为准确地反映点线耦合聚焦集热性能。.第三，分析了线菲定日镜与传统定日镜在最小占地空间上的关系；在 Δθ=0°的排布结构下线菲定日镜与接收器的相对空间结构最佳，光学匹配性最好。通过分析线菲定日镜场独特的布局结构，明确了镜场余弦效率、大气透过率、相邻子镜的阴影与遮挡损失、相邻线菲定日镜的阴影与遮挡损失、BD反射镜的阴影影响，以及接收器的溢出损失在镜场中的分布规律。基于该规律，采用GA算法与太阳花盘仿生排布耦合方法获得了最优的镜场排布结构及参数为a = 7，b = 0.55，在该参数下，由780组线菲定日镜、15600m2采光面积组成的镜场具有最优的光学效率约为0.543。.第四，基于多参数的通用型热迁移因子分析以及MCRT与CFD耦合的三维分析方法，针对不同镜场规模下的点聚焦腔体接收器的光-热-流-固耦合能量转换性能进行了详细分析。锥形螺旋管接收器与小规模镜场的最佳匹配圆锥角为100°。对与规模化镜场相匹配的CPC腔体接收器分析发现：与圆柱型与圆锥型腔体接收器相比，半球型腔体接收器因具有最均匀的吸收表面能流分布特性，集热性能较优，与规模化镜场光热转换匹配性最好。