復(fù)合拋物面聚光器的光熱聯(lián)合建模方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種復(fù)合拋物面聚光器的光熱聯(lián)合建模方法，首先，根據(jù)幾何設(shè)計(jì)參數(shù)生成復(fù)合拋物面聚光器的幾何模型；繼而讀取太陽(yáng)光照數(shù)據(jù)，結(jié)合復(fù)合拋物面聚光器安裝表面的朝向與傾斜角度，進(jìn)行光線追蹤，估算復(fù)合拋物面聚光器各個(gè)部件表面由于光照帶來(lái)的熱流分布；再將計(jì)算所得的熱流分布作為熱流型邊界條件加入復(fù)合拋物面聚光器的熱力學(xué)模型，結(jié)合天氣數(shù)據(jù)和運(yùn)行參數(shù)計(jì)算出溫度分布；最后，根據(jù)溫度分布計(jì)算出收集并轉(zhuǎn)化的太陽(yáng)能、運(yùn)行效率及其他性能指標(biāo)。本發(fā)明為復(fù)合拋物面聚光器提供了一種更加準(zhǔn)確全面的建模方法，彌補(bǔ)了現(xiàn)有建模方法缺少光熱聯(lián)合的不足，可以為復(fù)合拋物面聚光器的設(shè)計(jì)提供更強(qiáng)大、更快速的仿真工具。
【專利說(shuō)明】
復(fù)合拋物面聚光器的光熱聯(lián)合建模方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于太陽(yáng)能聚光器領(lǐng)域，涉及復(fù)合拋物面聚光器的光熱聯(lián)合建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 復(fù)合拋物面聚光器(CompoundParabolicConcentrator)是由美國(guó)物理學(xué)家Roland Winston于20世紀(jì)70年代根據(jù)最大聚光比理論和邊緣光線原則設(shè)計(jì)的一種非成像聚光器。 根據(jù)相關(guān)的光學(xué)原理，理想復(fù)合拋物面聚光器的特點(diǎn)是，當(dāng)入射光線相對(duì)于入射面處于一 定的接收角度(Acceptance angle，0_a)范圍內(nèi)時(shí)，全部入射光線均可被反射至接收器，即 攔截因子（Intercept factor)為100%。實(shí)際應(yīng)用中，由于生產(chǎn)誤差和工程應(yīng)用的限制，攔 截因子小于100%，但通?？蛇_(dá)到90%以上。因此，復(fù)合拋物面聚光器對(duì)跟蹤太陽(yáng)的要求很 低，把低聚光比復(fù)合拋物面聚光器安裝在固定的傾斜面上，即可在一天的大部分時(shí)間里無(wú) 需任何追蹤地、高效地聚集太陽(yáng)光至接收器，相比于追蹤式聚光器（如槽式拋物面聚光器） 可大大節(jié)省運(yùn)行維護(hù)成本。復(fù)合拋物面聚光器的聚光比通常為1至10,適合提供250°C以下 的中低溫?zé)嵩础６械蜏責(zé)嵩磻?yīng)用十分廣泛，如熱水供給、二氧化碳捕集、太陽(yáng)能制冷制熱 系統(tǒng)、海水淡化、水消毒系統(tǒng)等。由此可見(jiàn)，復(fù)合拋物面聚光器在中低溫領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng) 用前景。
[0003] 現(xiàn)有的復(fù)合拋物面聚光器設(shè)計(jì)過(guò)程中，光學(xué)仿真和熱力學(xué)仿真往往被分開進(jìn)行， 或只涉及光學(xué)仿真。中國(guó)專利0~101840067、0~103810352分別提出了基于1>3〇6?仰和 Matlab的復(fù)合拋物面聚光器建模方法，都局限于光學(xué)仿真。然而，熱力學(xué)性能對(duì)復(fù)合拋物面 聚光器的設(shè)計(jì)也有顯著影響，如實(shí)際應(yīng)用對(duì)熱源的溫度要求會(huì)極大地影響接收角度和幾何 聚光比的設(shè)計(jì)值。通常，在最優(yōu)設(shè)計(jì)的復(fù)合拋物面聚光器中，接收角度和幾何聚光比隨著所 需熱源溫度的上升分別減小和增大。若僅進(jìn)行光學(xué)仿真，可能無(wú)法滿足熱力學(xué)應(yīng)用要求。因 此，當(dāng)下急需一種復(fù)合拋物面聚光器的光熱聯(lián)合建模方法，對(duì)復(fù)合拋物面聚光器進(jìn)行全面 的模擬和評(píng)估。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明解決的問(wèn)題在于提供一種復(fù)合拋物面聚光器的光熱聯(lián)合建模方法，克服了 現(xiàn)有復(fù)合拋物面聚光器仿真設(shè)計(jì)不包含熱力學(xué)建模及模型不能模擬評(píng)估熱力學(xué)性能的不 足，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合拋物面聚光器的各種設(shè)計(jì)在不同天氣條件、光照條件、運(yùn)行狀況下的快速定 量模擬分析。
[0005] 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0006] 復(fù)合拋物面聚光器的光熱聯(lián)合建模方法，包括以下操作：
[0007] 1)根據(jù)幾何設(shè)計(jì)參數(shù)，生成包括反射器、真空玻璃管以及接收器在內(nèi)的復(fù)合拋物 面聚光器的各部件橫截面幾何形狀，從而獲取復(fù)合拋物面聚光器的幾何模型；
[0008] 2)根據(jù)太陽(yáng)光照數(shù)據(jù)并結(jié)合復(fù)合拋物面聚光器安裝表面的朝向與傾斜角度，計(jì)算 復(fù)合拋物面聚光器入射面上的直射光線和散射光線強(qiáng)度;然后根據(jù)所得強(qiáng)度生成一定數(shù)量 的光線，利用光線追蹤方法進(jìn)行光學(xué)仿真，計(jì)算得出復(fù)合拋物面聚光器各個(gè)部件表面由于 光照帶來(lái)的熱流分布；
[0009] 3)在復(fù)合拋物面聚光器的幾何模型上劃分網(wǎng)格，在每個(gè)網(wǎng)格上建立能量控制方 程，得到復(fù)合拋物面聚光器的熱力學(xué)模型;結(jié)合天氣數(shù)據(jù)和運(yùn)行參數(shù)，將熱流分布作為邊界 條件加入復(fù)合拋物面聚光器的熱力學(xué)模型，求解能量控制方程獲取網(wǎng)格的平均溫度，得到 復(fù)合拋物面聚光器的溫度分布；
[0010] 4)根據(jù)復(fù)合拋物面聚光器的溫度分布得到熱源溫度，并計(jì)算出包括有效收集并轉(zhuǎn) 化的太陽(yáng)能、運(yùn)行效率在內(nèi)的性能指標(biāo)。
[0011] 所述的幾何設(shè)計(jì)參數(shù)包括接收半角Θ。、幾何聚光比CR、接收器半徑ra、玻璃管外半 徑&、玻璃管厚度t g、U型管半徑rut、玻璃管與反射器的間距gap、聚光器槽向長(zhǎng)度L;
[0012] 根據(jù)幾何設(shè)計(jì)參數(shù)獲取幾何模型為：
[0013] 接收器由真空玻璃管包裹，兩者為同心圓，接收器和真空管內(nèi)外壁幾何形狀由公 式（1)、公式(2)、公式(3)給出;U型管焊接在接收器內(nèi)壁上，橫截面為圓形，水平方向焊接情 況下幾何形狀由公式(4)給出；
[0014]反射器的接收半角入射光線將其分為上下兩部分，上部根據(jù)邊緣光線原則由公式 (5)給出，下部為接收器圓形界面的漸開線由公式(6)給出，兩部分連接處的公共點(diǎn)坐標(biāo)由 公式(7)、公式(8)得出，通過(guò)求解微分方程(5)、微分方程(6)得出反射器的幾何形狀；
[0023] 所述幾何聚光比為截取后的復(fù)合拋物面聚光器的聚光比，即為接收面面積與接收 器面積之比。
[0024] 所述的太陽(yáng)光照數(shù)據(jù)包括太陽(yáng)所在位置、直射光線強(qiáng)度和散射光線強(qiáng)度，結(jié)合復(fù) 合拋物面聚光器安裝表面的朝向與傾斜角度獲取復(fù)合拋物面聚光器入射面上的直射光線 和散射光線強(qiáng)度后，生成光線并利用光線追蹤方法進(jìn)行光學(xué)仿真，根據(jù)反射器、真空玻璃管 以及接收器的太陽(yáng)光吸收率、反射率和透射率計(jì)算出各部件表面的太陽(yáng)光照熱流分布。
[0025] 所述在網(wǎng)格上建立的能量控制方程為：
[0026]
[0027] 為能量變化率，其中P為工質(zhì)密度，h為工質(zhì)焓值；▽ · (ρ???ι)為對(duì)流項(xiàng)，其中遂 為工質(zhì)流速;▽ · 為導(dǎo)熱擴(kuò)散項(xiàng)，其中k為工質(zhì)熱導(dǎo)率，τ為網(wǎng)格平均溫度;5。_為對(duì)流 傳熱項(xiàng)，包括工質(zhì)與U型管、接收器與玻璃管、玻璃管與空氣以及反射器與空氣的對(duì)流換熱， 受環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速、工質(zhì)流量和其粘性的影響;Srad為熱輻射換熱項(xiàng);Sscilar為太陽(yáng)光照熱 流分布；
[0028] 其中，環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速由天氣數(shù)據(jù)提供;工質(zhì)密度、工質(zhì)焓值、工質(zhì)流速、工質(zhì) 熱導(dǎo)率、工質(zhì)流量和其粘性由運(yùn)行參數(shù)提供;S SQlar由復(fù)合拋物面聚光器各部件表面的熱流 分布提供，根據(jù)所提供的邊界條件，用求解器求解離散化的能量控制方程，得出網(wǎng)格的平均 溫度。
[0029] 根據(jù)復(fù)合拋物面聚光器的溫度分布布得出反射器的工質(zhì)U型管出口溫度，即為復(fù) 合拋物面聚光器所提供的熱源溫度。
[0030] 所述的有效收集并轉(zhuǎn)化的太陽(yáng)能為工質(zhì)在復(fù)合拋物面聚光器出入口的焓值差。
[0031] 所述的運(yùn)行轉(zhuǎn)化效率為有效收集并轉(zhuǎn)化的太陽(yáng)能與接受面上收到的總太陽(yáng)輻射 能之比；其中，總太陽(yáng)輻射能為直射與散射太陽(yáng)輻射能之和。
[0032] 所能夠計(jì)算的性能指標(biāo)還包括:反射器在直射狀態(tài)下反射率、真空玻璃管在直射 狀態(tài)下透射率、真空玻璃管發(fā)生全內(nèi)反射時(shí)的度數(shù)和接收器在直射狀態(tài)下吸收率。
[0033] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：
[0034] 本發(fā)明提供的復(fù)合拋物面聚光器的光熱聯(lián)合建模方法，在構(gòu)建幾何模型的基礎(chǔ) 上，同時(shí)通過(guò)光學(xué)仿真構(gòu)建復(fù)合拋物面聚光器各個(gè)部件表面由于光照帶來(lái)的熱流分布，并 作為邊界條件進(jìn)入熱力學(xué)模型，從而實(shí)現(xiàn)光熱聯(lián)合建模;實(shí)現(xiàn)了復(fù)合拋物面聚光器的各種 設(shè)計(jì)在不同天氣條件、光照條件、運(yùn)行狀況下的快速定量模擬分析，彌補(bǔ)了現(xiàn)有建模方法缺 少光熱聯(lián)合的不足，為復(fù)合拋物面聚光器提供了一種更加準(zhǔn)確全面的建模方法，可以為復(fù) 合拋物面聚光器的設(shè)計(jì)提供更強(qiáng)大、更快速的仿真工具。
【附圖說(shuō)明】
[0035]圖1為本發(fā)明的流程示意圖。
[0036]圖2為復(fù)合拋物面聚光器的幾何參數(shù)及形狀。
[0037]圖3為30°入射角下光線追蹤演示。
[0038] 圖4為接收器上的來(lái)自太陽(yáng)輻射的熱流分布。
[0039] 圖5為復(fù)合拋物面聚光器各表面網(wǎng)格剖分。
[0040] 圖6為復(fù)合拋物面聚光器接收器溫度分布。
[0041] 圖7為復(fù)合拋物面聚光器真空玻璃管溫度分布。
[0042] 圖8為復(fù)合拋物面聚光器工質(zhì)沿槽向方向溫度分布。
【具體實(shí)施方式】
[0043] 下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而 不是限定。
[0044] 參見(jiàn)圖1，復(fù)合拋物面聚光器的光熱聯(lián)合建模方法，包括以下操作：
[0045] 1)根據(jù)幾何設(shè)計(jì)參數(shù)，生成包括反射器、真空玻璃管以及接收器在內(nèi)的復(fù)合拋物 面聚光器的各部件橫截面幾何形狀，從而獲取復(fù)合拋物面聚光器的幾何模型；
[0046] 2)根據(jù)太陽(yáng)光照數(shù)據(jù)并結(jié)合復(fù)合拋物面聚光器安裝表面的朝向與傾斜角度，計(jì)算 復(fù)合拋物面聚光器入射面上的直射光線和散射光線強(qiáng)度;然后根據(jù)所得強(qiáng)度生成一定數(shù)量 的光線，利用光線追蹤方法進(jìn)行光學(xué)仿真，計(jì)算得出復(fù)合拋物面聚光器各個(gè)部件表面由于 光照帶來(lái)的熱流分布；
[0047] 3)在復(fù)合拋物面聚光器的幾何模型上劃分網(wǎng)格，在每個(gè)網(wǎng)格上建立能量控制方 程，得到復(fù)合拋物面聚光器的熱力學(xué)模型;然后將熱流分布、天氣數(shù)據(jù)和運(yùn)行參數(shù)作為邊界 條件加入復(fù)合拋物面聚光器的熱力學(xué)模型，求解能量控制方程獲取網(wǎng)格的平均溫度，得到 復(fù)合拋物面聚光器的溫度分布；
[0048] 4)根據(jù)復(fù)合拋物面聚光器的溫度分布得到熱源溫度，并計(jì)算出包括有效收集并轉(zhuǎn) 化的太陽(yáng)能、運(yùn)行效率在內(nèi)的性能指標(biāo)。
[0049] 具體的步驟1)中所述的幾何設(shè)計(jì)參數(shù)包括接收半角Θ。、幾何聚光比CR(為截取后 的復(fù)合拋物面聚光器的聚光比，即為接收面面積與接收器面積之比）、接收器半徑r a、玻璃 管外半徑&、玻璃管厚度tg、U型管半徑rut、玻璃管與反射器的間距gap、聚光器槽向長(zhǎng)度L;
[0050] 根據(jù)幾何設(shè)計(jì)參數(shù)獲取幾何模型為：
[0051] 接收器由真空玻璃管包裹，兩者為同心圓，接收器和真空管內(nèi)外壁幾何形狀由公 式（1)、公式(2)、公式(3)給出;U型管焊接在接收器內(nèi)壁上，橫截面為圓形，水平方向焊接情 況下幾何形狀由公式(4)給出；
[0052]反射器的接收半角入射光線將其分為上下兩部分，上部根據(jù)邊緣光線原則由公式 (5)給出，下部為接收器圓形界面的漸開線由公式(6)給出，兩部分連接處的公共點(diǎn)坐標(biāo)由 公式(7)、公式(8)得出，通過(guò)求解微分方程(5)、微分方程(6)得出反射器的幾何形狀；
[0061]具體的步驟2)中所述的太陽(yáng)光照數(shù)據(jù)包括太陽(yáng)所在位置、直射光線強(qiáng)度和散射光 線強(qiáng)度，結(jié)合復(fù)合拋物面聚光器安裝表面的朝向與傾斜角度獲取復(fù)合拋物面聚光器入射面 上的直射光線和散射光線強(qiáng)度后，生成光線并利用光線追蹤方法進(jìn)行光學(xué)仿真，根據(jù)反射 器、真空玻璃管以及接收器的太陽(yáng)光吸收率、反射率和透射率計(jì)算出各部件表面的太陽(yáng)光 照熱流分布。
[0062] 具體的步驟3)中所述在網(wǎng)格上建立的能量控制方程為：
[0063]
[0064] t為能量變化率，其中P為工質(zhì)密度，h為工質(zhì)焓值;▽· (/7??)為對(duì)流項(xiàng)，其中?: at 為工質(zhì)流速;▽ '（fcVT)為導(dǎo)熱擴(kuò)散項(xiàng)，其中k為工質(zhì)熱導(dǎo)率，T為網(wǎng)格平均溫度;為對(duì)流 傳熱項(xiàng)，包括工質(zhì)與U型管、接收器與玻璃管、玻璃管與空氣以及反射器與空氣的對(duì)流換熱， 受環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速、工質(zhì)流量和其粘性的影響;S rad為熱輻射換熱項(xiàng);Sscllar為太陽(yáng)光照熱 流分布；
[0065] 其中，環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速由天氣數(shù)據(jù)提供;工質(zhì)密度、工質(zhì)焓值、工質(zhì)流速、工質(zhì) 熱導(dǎo)率、工質(zhì)流量和其粘性由運(yùn)行參數(shù)提供;S SQlar由復(fù)合拋物面聚光器各部件表面的熱流 分布提供，根據(jù)所提供的邊界條件，用求解器求解離散化的能量控制方程，得出網(wǎng)格的平均 溫度。
[0066] 具體的步驟4)中根據(jù)復(fù)合拋物面聚光器的溫度分布布得出反射器的工質(zhì)U型管出 口溫度，即為復(fù)合拋物面聚光器所提供的熱源溫度。
[0067] 所述的有效收集并轉(zhuǎn)化的太陽(yáng)能為工質(zhì)在復(fù)合拋物面聚光器出入口的焓值差。
[0068] 所述的運(yùn)行轉(zhuǎn)化效率為有效收集并轉(zhuǎn)化的太陽(yáng)能與接受面上收到的總太陽(yáng)輻射 能之比；其中，總太陽(yáng)輻射能為直射與散射太陽(yáng)輻射能之和。
[0069]下面給出具體的實(shí)施例。
[0070] 實(shí)施例1
[0071 ]復(fù)合拋物面聚光器的光熱聯(lián)合建模方法，包括以下操作：
[0072] 1)幾何模型構(gòu)建：
[0073]選定一套幾何參數(shù)，接收半角為60°，幾何聚光比為1.1，接收器半徑為0.05m，玻璃 管外半徑為〇. 〇6m，玻璃管厚度為0.003m，U型管半徑為0.01m，玻璃管與反射器的間距為 0.01m，聚光器槽向長(zhǎng)度為2m。
[0074]將以上參數(shù)代入公式（7) (8)可計(jì)算出接收器上下兩部分連接處的公共點(diǎn)坐標(biāo)為 (±0.1472,-0.0273)。求解常微分方程(5)、微分方程(6)可得反射器橫截面幾何形狀，求解 方程(1)至(4)可得接收器、真空玻璃管以及U型管橫截面幾何形狀，如圖2所示。
[0075] 2)熱流分布：
[0076]確定太陽(yáng)光照數(shù)據(jù)，根據(jù)復(fù)合拋物面聚光器安裝參數(shù)(復(fù)合拋物面聚光器安裝表 面傾角為30°、安裝表面朝向?yàn)檎戏较?，即方位角?80° )計(jì)算出接收面上太陽(yáng)光的入射 角度、直射光線強(qiáng)度、散射光線強(qiáng)度，假設(shè)分別為30°、800W/m2、200W/V。利用光線追蹤算法 進(jìn)行光學(xué)仿真，30°入射角的光線追蹤演示如圖3所示。根據(jù)反射器、真空玻璃管以及接收器 的太陽(yáng)光吸收率、反射率和透射率可計(jì)算出各部件表面的太陽(yáng)光照熱流分布，接收器上來(lái) 自太陽(yáng)輻射的熱流分布如圖4所示。
[0077] 3)溫度分布：
[0078] 對(duì)圖2所示的幾何形體進(jìn)行網(wǎng)格剖分，如圖5所示。在每個(gè)網(wǎng)格上建立能量方程，給 定便邊界條件:環(huán)境空氣溫度為25°C，環(huán)境風(fēng)速為2m/s，工質(zhì)U型管入口溫度為150°C，工質(zhì) 流量為0.035kg/s;U型管工質(zhì)為油類、工質(zhì)的密度在150°C為0.72kg/m 2、工質(zhì)的導(dǎo)熱率在 150°(：為0.131/111-1(、工質(zhì)的比熱在150°(：為2.531〇/1^-1(、工質(zhì)的粘度在150°(：為8.55\10- 4kg/m_s〇
[0079] 利用求解器可解得各個(gè)網(wǎng)格的平均溫度，結(jié)果如圖6、圖7、圖8所示。
[0080] 4)根據(jù)溫度分布計(jì)算以下性能指標(biāo)：
[0081] 根據(jù)工質(zhì)U型管出口溫度（152.06°C)，可計(jì)算出單位面積復(fù)合拋物面聚光器所收 集并轉(zhuǎn)化的熱量為251.73W/m 2，運(yùn)行熱效率為25.1 %。
[0082]所述反射器在直射狀態(tài)下反射率為86%、真空玻璃管在直射狀態(tài)下透射率為 95.8 %、真空玻璃管在44°時(shí)發(fā)生全內(nèi)反射、接收器在直射狀態(tài)下吸收率為95.2 %。
[0083] 實(shí)施例2
[0084] 復(fù)合拋物面聚光器的光熱聯(lián)合建模方法，包括以下操作：
[0085] 1)選定一套幾何參數(shù)，接收半角為80°，幾何聚光比為1，接收器半徑為0.05m，玻璃 管外半徑為〇. 〇6m，玻璃管厚度為0.003m，U型管半徑為0.01m，玻璃管與反射器的間距為 0.01m，聚光器槽向長(zhǎng)度為2m。
[0086] 將以上參數(shù)代入公式(7)、公式(8)可計(jì)算出接收器上下兩部分連接處的公共點(diǎn)坐 標(biāo)為（±0.1649,0.0217)。求解常微分方程(5)、微分方程(6)可得反射器橫截面幾何形狀， 求解方程(1)至(4)可得接收器、真空玻璃管以及U型管橫截面幾何形狀。
[0087] 2)確定太陽(yáng)光照數(shù)據(jù)，根據(jù)復(fù)合拋物面聚光器安裝參數(shù)(所述復(fù)合拋物面聚光器 安裝表面傾角為30°、安裝表面朝向?yàn)檎戏较?，即方位角?80°)計(jì)算出接收面上太陽(yáng)光 的入射角度、直射光線強(qiáng)度、散射光線強(qiáng)度，假設(shè)分別為60°、400W/m 2、200W/m2。利用光線追 蹤算法進(jìn)行光學(xué)仿真，根據(jù)反射器、真空玻璃管以及接收器的太陽(yáng)光吸收率、反射率和透射 率可計(jì)算出各部件表面的太陽(yáng)光照熱流分布。
[0088] 3)對(duì)步驟1)計(jì)算的幾何形體進(jìn)行網(wǎng)格剖分，在每個(gè)網(wǎng)格上建立能量方程，給定便 邊界條件:環(huán)境空氣溫度為25°C，環(huán)境風(fēng)速為2m/s，工質(zhì)U型管入口溫度為120°C，工質(zhì)流量 為0.035kg/s;工質(zhì)為油類、工質(zhì)的密度在120°C為0.74kg/m 2、工質(zhì)的導(dǎo)熱率在120°C為 0 · 13W/m-K、工質(zhì)的比熱在 120 °C 為2 · 43kJ/kg-K、工質(zhì)的粘度在 120 °C 為 1 · 3 X 10-3kg/m-s。
[0089] 利用求解器可解得各個(gè)網(wǎng)格的平均溫度。
[0090] 4)根據(jù)工質(zhì)U行管出口溫度（121.05°C)，可計(jì)算出單位面積復(fù)合拋物面聚光器所 收集的熱量為142.88W/m 2，效率為23.8%。
[0091] 所述反射器在直射狀態(tài)下反射率為86%、真空玻璃管在直射狀態(tài)下透射率為 95.8 %、真空玻璃管在44°時(shí)發(fā)生全內(nèi)反射、接收器在直射狀態(tài)下吸收率為95.2 %。
[0092] 實(shí)施例3
[0093]復(fù)合拋物面聚光器的光熱聯(lián)合建模方法，包括以下操作：
[0094] 1)選定一套幾何參數(shù)，接收半角為30°，幾何聚光比為1.5，接收器半徑為0.05m，玻 璃管外半徑為0.06m，玻璃管厚度為0.003m，U型管半徑為0.01m，玻璃管與反射器的間距為 0.01m，聚光器槽向長(zhǎng)度為2m。
[0095] 將以上參數(shù)代入公式(7)、公式(8)可計(jì)算出接收器上下兩部分連接處的公共點(diǎn)坐 標(biāo)為（±0.1008，-0.0745)。求解常微分方程(5)、微分方程(6)可得反射器橫截面幾何形狀， 求解方程(1)至(4)可得接收器、真空玻璃管以及U型管橫截面幾何形狀。
[0096] 2)確定太陽(yáng)光照數(shù)據(jù)，根據(jù)復(fù)合拋物面聚光器安裝參數(shù)(所述復(fù)合拋物面聚光器 安裝表面傾角為30°、安裝表面朝向?yàn)檎戏较?，即方位角?80°)計(jì)算出接收面上太陽(yáng)光 的入射角度、直射光線強(qiáng)度、散射光線強(qiáng)度，假設(shè)分別為10°、l〇〇〇W/m 2、100W/m2。利用光線追 蹤算法進(jìn)行光學(xué)仿真，根據(jù)反射器、真空玻璃管以及接收器的太陽(yáng)光吸收率、反射率和透射 率可計(jì)算出各部件表面的太陽(yáng)光照熱流分布。
[0097] 3)對(duì)步驟1)計(jì)算的幾何形體進(jìn)行網(wǎng)格剖分，在每個(gè)網(wǎng)格上建立能量方程，給定便 邊界條件:環(huán)境空氣溫度為25°C，環(huán)境風(fēng)速為2m/s，工質(zhì)U型管入口溫度為180°C，工質(zhì)流量 流量為〇.〇35kg/s;工質(zhì)為油類、工質(zhì)的密度在180°C為0.70kg/m 2、工質(zhì)的導(dǎo)熱率在180°C為 0 · 13W/m-K、工質(zhì)的比熱在 180 °C 為2 · 64kJ/kg-K、工質(zhì)的粘度在 180°C 為 6.08X10-4kg/m-s。
[0098] 利用求解器可解得各個(gè)網(wǎng)格的平均溫度。
[0099] 4)根據(jù)工質(zhì)U行管出口溫度（182.94°C)，可計(jì)算出單位面積復(fù)合拋物面聚光器所 收集的熱量為288.51W/m2，效率為26.2%。
[0100]所述反射器在直射狀態(tài)下反射率為86%、真空玻璃管在直射狀態(tài)下透射率為 95.8 %、真空玻璃管在44°時(shí)發(fā)生全內(nèi)反射、接收器在直射狀態(tài)下吸收率為95.2 %。
[0101]以上給出的實(shí)施例是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明較優(yōu)的例子，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例。本領(lǐng)域 的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的技術(shù)特征所做出的任何非本質(zhì)的添加、替換，均屬于本 發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 復(fù)合拋物面聚光器的光熱聯(lián)合建模方法，其特征在于，包括以下操作： 1) 根據(jù)幾何設(shè)計(jì)參數(shù)，生成包括反射器、真空玻璃管以及接收器在內(nèi)的復(fù)合拋物面聚 光器的各部件橫截面幾何形狀，從而獲取復(fù)合拋物面聚光器的幾何模型； 2) 根據(jù)太陽(yáng)光照數(shù)據(jù)并結(jié)合復(fù)合拋物面聚光器安裝表面的朝向與傾斜角度，計(jì)算復(fù)合 拋物面聚光器入射面上的直射光線和散射光線強(qiáng)度;然后根據(jù)所得強(qiáng)度生成一定數(shù)量的光 線，利用光線追蹤方法進(jìn)行光學(xué)仿真，計(jì)算得出復(fù)合拋物面聚光器各個(gè)部件表面由于光照 帶來(lái)的熱流分布； 3) 在復(fù)合拋物面聚光器的幾何模型上劃分網(wǎng)格，在每個(gè)網(wǎng)格上建立能量控制方程，得 到復(fù)合拋物面聚光器的熱力學(xué)模型;結(jié)合天氣數(shù)據(jù)、運(yùn)行參數(shù)和熱流分布，將其作為邊界條 件加入復(fù)合拋物面聚光器的熱力學(xué)模型，求解能量控制方程獲取網(wǎng)格的平均溫度，得到復(fù) 合拋物面聚光器的溫度分布； 4) 根據(jù)復(fù)合拋物面聚光器的溫度分布得到熱源溫度，并計(jì)算出包括有效收集并轉(zhuǎn)化的 太陽(yáng)能、運(yùn)行效率在內(nèi)的性能指標(biāo)。2. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合拋物面聚光器的光熱聯(lián)合建模方法，其特征在于，所述的幾 何設(shè)計(jì)參數(shù)包括接收半角Θ。、幾何聚光比CR、接收器半徑r a、玻璃管外半徑^、玻璃管厚度 tg、U型管半徑rut、玻璃管與反射器的間距gap、聚光器槽向長(zhǎng)度L; 根據(jù)幾何設(shè)計(jì)參數(shù)獲取幾何模型為： 接收器由真空玻璃管包裹，兩者為同心圓，接收器和真空管內(nèi)外壁幾何形狀由公式 (1)、公式(2)、公式(3)給出;U型管焊接在接收器內(nèi)壁上，橫截面為圓形，水平方向焊接情況 下幾何形狀由公式(4)給出； 反射器的接收半角入射光線將其分為上下兩部分，上部根據(jù)邊緣光線原則由公式(5) 給出，下部為接收器圓形界面的漸開線由公式(6)給出，兩部分連接處的公共點(diǎn)坐標(biāo)由公式 (7)、公式(8)得出，通過(guò)求解微分方程(5)、微分方程(6)得出反射器的幾何形狀；3. 如權(quán)利要求2所述的復(fù)合拋物面聚光器的光熱聯(lián)合建模方法，其特征在于，所述幾何 聚光比為截取后的復(fù)合拋物面聚光器的聚光比，即為接收面面積與接收器面積之比。4. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合拋物面聚光器的光熱聯(lián)合建模方法，其特征在于，所述的太 陽(yáng)光照數(shù)據(jù)包括太陽(yáng)所在位置、直射光線強(qiáng)度和散射光線強(qiáng)度，結(jié)合復(fù)合拋物面聚光器安 裝表面的朝向與傾斜角度獲取復(fù)合拋物面聚光器入射面上的直射光線和散射光線強(qiáng)度后， 生成光線并利用光線追蹤方法進(jìn)行光學(xué)仿真，根據(jù)反射器、真空玻璃管以及接收器的太陽(yáng) 光吸收率、反射率和透射率計(jì)算出各部件表面的太陽(yáng)光照熱流分布。5. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合拋物面聚光器的光熱聯(lián)合建模方法，其特征在于，所述在網(wǎng) 格上建立的能量控制方程為：(9) 為能量變化率，其中P為工質(zhì)密度，h為工質(zhì)焓值;為對(duì)流項(xiàng)，其中g(shù)為工 質(zhì)流速;▽ · (_T)為導(dǎo)熱擴(kuò)散項(xiàng)，其中k為工質(zhì)熱導(dǎo)率，T為網(wǎng)格平均溫度;S_v為對(duì)流傳熱 項(xiàng)，包括工質(zhì)與U型管、接收器與玻璃管、玻璃管與空氣以及反射器與空氣的對(duì)流換熱，受環(huán) 境溫度、環(huán)境風(fēng)速、工質(zhì)流量和其粘性的影響;S rad為熱輻射換熱項(xiàng);SsciIar為太陽(yáng)光照熱流分 布； 其中，環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速由天氣數(shù)據(jù)提供;工質(zhì)密度、工質(zhì)焓值、工質(zhì)流速、工質(zhì)熱導(dǎo) 率、工質(zhì)流量和其粘性由運(yùn)行參數(shù)提供;Sscilar由復(fù)合拋物面聚光器各部件表面的熱流分布 提供，根據(jù)所提供的邊界條件，用求解器求解離散化的能量控制方程，得出網(wǎng)格的平均溫 度。6. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合拋物面聚光器的光熱聯(lián)合建模方法，其特征在于，根據(jù)復(fù)合 拋物面聚光器的溫度分布布得出反射器的工質(zhì)U型管出口溫度，即為復(fù)合拋物面聚光器所 提供的熱源溫度。7. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合拋物面聚光器的光熱聯(lián)合建模方法，其特征在于，所述的有 效收集并轉(zhuǎn)化的太陽(yáng)能為工質(zhì)在復(fù)合拋物面聚光器出入口的焓值差。8. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合拋物面聚光器的光熱聯(lián)合建模方法，其特征在于，所述的運(yùn) 行轉(zhuǎn)化效率為有效收集并轉(zhuǎn)化的太陽(yáng)能與接受面上收到的總太陽(yáng)輻射能之比；其中，總太 陽(yáng)輻射能為直射與散射太陽(yáng)輻射能之和。9. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合拋物面聚光器的光熱聯(lián)合建模方法，其特征在于，所能夠計(jì) 算的性能指標(biāo)還包括:反射器在直射狀態(tài)下反射率、真空玻璃管在直射狀態(tài)下透射率、真空 玻璃管發(fā)生全內(nèi)反射時(shí)的度數(shù)和接收器在直射狀態(tài)下吸收率。
【文檔編號(hào)】F24J2/12GK105890189SQ201610214146
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年4月7日
【發(fā)明人】許東灝, 史紹平, 穆嚴(yán)飛, 陳新明, 張波, 閆姝, 方芳
【申請(qǐng)人】中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司, 中國(guó)華能集團(tuán)公司