透射与反射复合聚光转轮式太阳能高温集热器研究

It is proposed a solar high-temp collector in this project, which is a shape of rotating wheel combined transmission and reflection. Its working principle is the following. The collector is of integrating Fresnel refractive and reflective concentration, and a vacuumed absorber with a high-efficiency secondary reflector is set in its interior. According to the principle of light refracting and reflecting, the main sunlight is directly concentrated onto an overlength vacuumed absorber, and part of the light failed to shoot on absorber is collected by secondary reflector and then concentrated onto absorber eventually. In this way, solar high-temp heat collecting is achieved. This collector is of advantages as below: high-temp heat energy in about 250-450℃ can be generated, low investment cost and low precision requirement for the solar tracking system, high performance in wind resistant, easy to control and etc.. This new solar concentration and heat-collecting system will be studied theoretically and experimentally in this project by means of follows. The mechanism of energy transferring and utilizing will be researched, especially the high-density light energy transferred and translated in optical elements & absorber and the relationship between the input of light energy and the output. The matching of components for efficiency maximized will be researched. They will provide foundational parameters and theoretical basis for the establishing a rotating wheel type solar collector combined transmission and reflection of compact, high-efficiency & relatively cheap.

本项目提出了一种透射与反射复合聚光转轮式太阳能高温集热器，它将菲涅耳透射聚光与菲涅耳反射聚光结合在一起，并与真空管接收器等同置于一个转筒内部，转筒内部设置有高效的二次聚光器。它利用透射与反射复合聚光原理将太阳光汇集到超长真空吸热管上，实现太阳能高温集热；部分未入射到真空管上的太阳光经二次聚光器再浓缩，最终也汇集到真空管上产生热能。该集热器具有易于产生250-450℃左右的高温热能、成本相对低廉、跟踪精度要求低、抗风能力强和易于控制等优点。本项目将从理论和实验两方面入手对该新型太阳能聚光集热系统展开深入研究：研究系统的能量传递及利用过程机理，特别是高密度光能在装置中、接收器上的能量转化与传递过程、光能输入与输出的关系；研究系统各部件之间的协调和匹配。为建立完整、高效及相对廉价的透射与反射复合聚光转轮式太阳能高温集热系统提供基础参数与理论支持。

本项目从多元聚光的概念出发，提出了透射与反射复合聚光方式，并将这一聚光过程集成于一个具有二次聚光器的转轮系统中，得到了一种跟踪精度要求低、跟踪功耗少、抗风能力强和易于控制等优点的新型太阳能中高温集热系统。对这一聚光集热过程的一系列基础问题展开了深入的理论和实验研究。设计了高效太阳能聚光器、二次聚光器、跟踪系统及高密度光能接收器实验台，对系统各主要部件进行了测试与研究，提出新概念，对太阳能高效聚光器、聚光集热系统和直流式高温接收器等进行了创新设计和计算机仿真模拟。提出了线性聚光曲面菲涅尔透镜的节点虚交约束设计方法。针对圆柱面菲涅耳透镜，得到了曲面菲涅耳透镜的三圆线创新设计方法。分析了菲聂耳透镜的光学性能和聚光效率影响的因素，研究了边沿效应、表面反射率等因素对总透过率的影响。对该聚光系统进行了光学仿真，验证了理论计算结果。从而建立了基于最大透过率的二维曲面透射聚光器的光学理论。设计建造了三元聚光转轮式太阳能中温集热器的实验台，对直径为1米的三元聚光转轮式太阳能集热器的集热性能进行了实验研究。设计了宽0.69米，长1.06米的工业化注朔成型的线性菲涅尔太阳能聚光透镜，并委托公司进行了成型制造，得到了工业化生产的线性菲涅尔聚光透镜。建造了由多个聚光单元组成的整体转轮式聚光系统，对该系统进行了实验测试，证明此类系统一样获得太阳能高温热能。利用聚光太阳能电池作为光伏发电原件，冷却系统作为太阳能的热接收元件，对系统进行了光伏光热系统实验，对发电功率随当地时间特别是随太阳辐照度的变化进行了测试。改进了二次反射聚光的方式，使得系统总效率得到大幅提高，为三元聚光理论指出了另一个有前景的方向。建立了多套基于圆柱面菲涅耳透镜聚光的中温太阳能集热示范系统，并在工农业生产中得到利用，系统最大聚光面积40平方米，聚光总能量达到15kW以上，高温接收器内温度达250℃以上，实现系统聚光集热效率大于35%。证明本项研究是可行的和可靠的。通过本项目研究，圆满完成了项目设定的研究内容，发表研究论文27篇（SCI14篇；EI6篇；ISTP2篇），获得授权发明专利7项，申请发明专利4项。培养博士研究生3名，硕士研究生3名。