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基于梯形反射瓣的太阳能抛物面集光收集器的光学设计
莎莎帕夫洛维奇，韦利米尔斯特凡诺维奇，达科瓦西列维奇和埃米娜彼得洛维奇。
1.热力工程系，尼斯大学机械工程学院，尼斯18000，塞尔维亚
2.物理学研究所，光子中心，贝尔格莱德11080，塞尔维亚
3. 机械电子与控制系统，尼斯大学机械工程学院，尼斯18000，塞尔维亚
收到：2015年2月6日/接受日期：2014年4月1日/发布时间：2015年8月31日
摘要：本文提出了太阳能抛物面碟式聚光器的详细光学系统。该系统直径D = 2800mm，焦距f = 1400mm。在这些温度水平下的太阳辐射的有效转换需要使用聚光太阳能收集器的光学设计。本文介绍了太阳能抛物面盘式聚光器的光学设计。太阳能系统的抛物面天线由12个曲线梯形反射瓣组成。本文介绍了使用射线跟踪的抛物面太阳能聚光器单元的光学模拟软件TracePro。给出了接收器上的总通量和中心和外围接收器上吸收的通量的辐照度分布。焦点区域的总通量为4,031.3W。本文的目的是介绍低技术的光学设计太阳能集中器。这是一种潜在的低成本工具，用于中温热过程，冷却，工业过程，太阳能烹饪和多联产系统等的实验室规模研究。
关键词：太阳能抛物面碟式聚光器，光学分析，太阳能，太阳辐射
1.介绍
用于将太阳能转化为热的装置被称为太阳能收集器。阳极热收集器已经被广泛地用于聚集太阳辐射并将其转换成中高温热处理。它们可以被设计为各种装置，包括太阳能炊具[1]，太阳能氢气生产[2,3]和盘式斯特林系统的收获电[4,5]。主要类型的集中收集器是：抛物面盘，抛物面槽，电源塔和菲涅耳收集器与镜子或镜头和太阳能抛物面热能集中器的理想光学配置是抛物面镜。抛物面镜的制造非常昂贵，并且随着孔径面积的增加而快速增加。抛物面镜可以设计有大量的基本通常被称为反射花瓣或小平面的部件。通常反射花瓣由玻璃制成，并且它们的厚度为0.7mm至1.0mm。传统上，辐射聚光器的光学分析是通过计算机光线跟踪程序进行的。最近，奥尼尔和哈德逊[6]提出了一种用于具有平面接收器的抛物面反射器的光学性能的有趣的分析解决方案。
他们的计算光学性能的方法是快速和准确的，但假设辐射源是均匀的盘.Imhamed等人[7]提出了研究，旨在开发一个3-D静态太阳能集中器，可以用作低成本和低能源替代品。他们的目标是设计太阳能集中器，用于在印度农村生产便携式热水。他们使用光线跟踪软件来评估静态3-D EHC（椭圆双曲面聚光器）的光学性能。优化聚光器轮廓和几何形状以提高系统的整体性能.Kashika和Reddy [8]使用直径为2.405米的卫星天线，铝框架作为反射器，以减少结构的重量和太阳能的成本系统。在他们的太阳能系统中，当吸收器位于焦点时，水蒸汽的平均温度为300℃。他们的系统中的一个是950美元.Ouederni等人[9]正在测试2.2m的抛物面聚光器直径，反射系数0.85。系统中的平均温度为380℃.Rafeeu和AbKadir [10]在小型实验室规模抛物面聚光器的设计，建造和测试中提出了简单的练习。他们做了两个菜从丙烯腈丁二烯苯乙烯和一个不锈钢。使用具有各种几何尺寸和直径的三个实验模型来分析几何对太阳辐射的影响.Zhiqiang等人[11]提出了一个用于实验室规模研究中温热过程的面聚光器的设计程序。小面聚光器近似抛物面，其具有由抛物线形散热体支撑并具有垂直于集中器轴线的两个边缘的多个平坦正方形小面。164面聚光器将在焦平面上放置15cm半径圆盘上的辐射功率高达8.15kW。系统具有超过100的平均浓度比.艾赫迈德和卡恩 [12]提出了两个原型抛物面盘：雪兰多和抛物面碟式浓缩器，在喷气推进实验室。雪兰多碟设计用于将硅油在一次通过中加热至400℃。谢南多厄皿是由21个铝花瓣形成的7m抛物面反射盘，在一侧覆盖有特殊反射层。第二抛物面碟（JPL抛物面碟子聚光器）具有12m直径的抛物面反射器表面。丽贝卡等人 [13]用一个9微米的浓缩器研究氨接收器几何的实验评价。这个20平方米的镜子是镜像的，在抛物面玻璃纤维支撑结构上以同心圆环排列了约2000个平面镜片面。镜面的尺寸为5厘米到10厘米。格伦等人 [14]分析了用于抛物面碟式聚光器的球形反射元件的光学性能。该聚光器由54个三角形反射镜组成。碟的有效边缘角为46°。54个单元由九个单独的面板形状组成，形状被重复六次。系统的焦距为13.1米，比较了具有这种表面组合的集光器的光学性能和制造可行性。
制造具有12个花瓣的太阳能抛物面聚光器的决定是基于在世界上实现的大量设计概念。这个概念已经证明在太阳能技术中是有用的，特别是在热和电能的产生以及在三联产和多联产系统 。
这项研究的基本思想是从太阳能抛物线聚光器的初级概念开始，其将在多联产系统中从10kW产生到25kW。 只有使用抛物面聚光系统，才有可能获得200℃至800℃范围内的高温和高热效率。
2.太阳能抛物线热集中器的光学设计
提出了太阳抛物线热能集中器的光学设计和操作。 光学设计是基于抛物面盘与12曲线梯形花瓣。 太阳能集中器通常是将太阳能聚集在被称为焦点的小区域的集中器。太阳能集中器中的反射表面的尺寸由最大日射水平和集光器转换效率的期望功率确定。抛物面聚光器的数学表示是抛物面 其可以表示为通过围绕如图1所示的轴旋转抛物线获得的表面。
图1 抛物面太阳能聚光器的理想形状
笛卡尔坐标系和圆柱坐标系中抛物面太阳能聚光器（图1）的数学方程定义为：
Xsup2; ysup2;=4fz
Z=rsup2;/4f (1)
其中，x和y是孔径平面中的坐标;以及z是沿着与对称抛物面轴平行的线的顶点距离; f是抛物面的焦距，即，沿着非球面轴从顶点到焦点的距离 的对称性。焦距和抛物面直径之间的关系称为相对孔径，它定义抛物面的形状和焦点的位置。抛物面的形状也可以由边缘角定义。通常抛物面 用于太阳能收集器具有从10°到90°的边缘角度。 相对孔径和边缘角度之间的关系由下式给出：
f/D=1/[4tan(Psi;rimsup2;)] （2）
具有小边缘角的抛物体具有焦点和接收器，其距离聚光器表面的距离大。具有小于50°的边缘角的抛物面用于空腔接收器，而具有大边缘角的抛物面对于外部体积接收器是最合适的 中央接收器太阳能系统）。
几何集中率可以被定义为收集器孔径Aapp的面积除以接收器Arpc的表面积，并且可以由等式（3）计算
CRg=1/(sinsup2;theta;)=Ac/Ar=Aapp/Arpc (3)
设计的太阳能抛物面聚光器具有几何聚光比CRg = 13,615。
通量集中比率可以定义为在I点集中的通量与入射太阳能通量Ibn的比率：
CRflux=I/Ib,n (4)
2.1太阳能抛物面聚光器的设计说明
太阳能抛物面聚光器的机械设计在美国3D设计软件CATIA达索系统中完成。通过输入所选点的X和Y坐标获得太阳能集中器的抛物线形状。对于计算必要的点，定义抛物线公共领域软件使用Parabola计算器2.0。设计抛物线的计算坐标（X和Y）如表1所示。
表1设计抛物线的坐标
|
X(cm) |
-140.0 |
-116.6 |
-93.33 |
-70.00 |
-46.67 |
-23.33 |
0 |
|
Y(cm) |
35 |
24.31 |
15.56 |
8.75 |
3.89 |
0.97 |
0 |
|
X(cm) |
23.33 |
46.67 |
-70.00 |
-93.33 |
116.6 |
140 |
- |
|
Y(cm) |
0.97 |
3.89 |
8.75 |
15.56 |
24.31 |
35.00 |
- |
太阳能抛物面聚光器的几何模型由计算的坐标参数化设计，如图2所示。具有12个花瓣的太阳能碟式聚光器的选择模型在系统的几何建模期间需要非常精确的参数定义。通过太阳能聚光系统的光学分析获得的结果非常依赖于所选择的几何模型产生的方法。
图2 太阳能抛物面碟式集中器的计算机辅助绘图模型
通过使抛物线段围绕其轴线旋转（图3）来获得截断的旋转抛物面（圆形抛物面）。
图3 截断抛物线示意图
考虑由相同的非重叠梯形段的12个梯形反射瓣组成的集中器。太阳能抛物面聚光器的梯形反射花瓣的3D模型如图4所示。
图4 太阳能抛物面碟形聚光器的梯形反射花瓣
太阳能抛物面聚光器的详细设计参数见表2。
表2 太阳能抛物面碟式集中器的设计参数
|
参数 |
数值 |
单位 |
|
孔径半径R₂ |
1.4 |
m |
|
小孔半径R₁ |
0.025 |
m |
|
理想的集中器面积Aidel |
6.208 |
㎡ |
|
开口抛物线的横截面Aproj |
6.154 |
㎡ |
|
集中器的遮蔽面积Ashadow |
0.000452 |
㎡ |
|
集中器的有效面积Aef=Aproj-Ashadow |
6.1535 |
㎡ |
|
接收器直径 |
0.20 |
m |
|
接收器的形状 |
平圆盘 |
- |
|
集中器的深度 |
0.35 |
m |
|
焦距 |
1.4 |
m |
|
Psi;₁ |
10 |
° |
|
Psi;₂ |
45 |
° |
接收器 - 吸收器被放置在聚焦区域，在该聚焦区域中收集来自太阳能聚集器的反射辐射。在设计过程中。抛物面太阳能集中器总是寻求接收器的最小尺寸。具有小的接收器尺寸，可以减少热损失以及整个系统的成本。此外，小的接收器尺寸增加了接收器表面上的吸收通量。这是在太阳辐射向热转换中获得更大效率的方式。在我们的系统中，接收器 - 吸收器是直径为24mm的圆柱形盘。如图5所示。在太阳能吸收器内放置有水流过的螺旋波纹管。
图5太阳能热接收器—带平板圆盘和无圆盘的（直接辐射螺旋波纹管吸收器）
图6示出了在我们的下一个设计中的具有太阳能螺旋波纹管吸收器的改进的太阳能接收器。这是下一个设计的太阳能集中器接收器。
图6（a）用于太阳能抛物面碟形聚光收集器的改进的太阳能空腔接收器和（b）在聚焦平面处的集中的太阳辐射
在本文中，只分析了接收机的光学性能。在我们的进一步研究中，我们计划建模所有必要的接收器几何的细节，这对于将太阳能转换为用于转移能量的流体的热量很重要。
3. 太阳抛物面盘式热集中器的光学分析
美国兰布达研究公司软件TracePro对于太阳抛物线热集中器的光学分析。第一步是导入在CATIA设计的3D模型。在TracePro中，分配所有材料属性。十二个梯形反射瓣被定义为具有反射涂层的标准镜。反射系数为95％。接收器是直径24m
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