收稿日期 2021 05 04 基金項(xiàng)目 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 51966012 內(nèi)蒙古自治區(qū)高校青年科技英才支持計(jì)劃 NJYT 18 A12 內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校 科學(xué)研究項(xiàng)目 NJZY17491 內(nèi)蒙古科技重大專項(xiàng) 2018 內(nèi)蒙古自治區(qū)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目 SZ2020071 通訊作者 常澤輝 1978 男 博士 教授 博士生導(dǎo)師 主要從事太陽能光熱利用技術(shù)方面的研究工作 E mail changzehui 應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤供熱系統(tǒng)的 復(fù)合多曲面聚光器的聚光集熱性能研究 劉雪東 1 彭婭楠 1 2 邵正日 3 馬興龍 4 侯 靜 5 常澤輝 1 2 1 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051 2 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 太陽能應(yīng)用技術(shù) 工程中心 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051 3 營口理工學(xué)院 機(jī)械與動力工程學(xué)院 遼寧 營口 115000 4 北京 理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院 北京 100081 5 內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑設(shè)備與自動化工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070 摘 要 文章通過仿真模擬和試驗(yàn)測試 分析了光線入射偏角對復(fù)合多曲面聚光器聚光集熱性能的影響 首 先 建立了聚光器三維模型 然后 利用光學(xué)仿真軟件對該聚光器進(jìn)行光線追跡和光學(xué)性能計(jì)算 并根據(jù)計(jì)算結(jié) 果分析了徑向 軸向入射偏角對該聚光器光線接收率 聚光效率等的影響 最后 基于光學(xué)計(jì)算結(jié)果 搭建復(fù)合 多曲面聚光器光熱性能試驗(yàn)臺 并根據(jù)測試結(jié)果研究了該聚光器在實(shí)際天氣條件下運(yùn)行時(shí)的聚光集熱性能 分 析結(jié)果表明 當(dāng)徑向入射偏角小于14 時(shí) 該參數(shù)對復(fù)合多曲面聚光器的光線接收率和聚光效率影響較小 當(dāng) 徑向入射偏角為20 時(shí) 該聚光器的光線接收率和聚光效率分別為 46 50 39 49 此外 該聚光器的光線接 收率和聚光效率均隨著軸向入射偏角的變化呈現(xiàn)出對稱的變化趨勢 當(dāng)軸向入射偏角為20 時(shí) 該聚光器的光 線接收率和聚光效率分別為 87 94 74 50 在晴天條件下時(shí) 該聚光器出口處空氣溫度的變化趨勢與太陽輻 照度一致 正午時(shí) 該聚光器出口處空氣溫度最高 可達(dá)到 46 9 測試期間 該聚光器的最大瞬時(shí)集熱量和光 熱轉(zhuǎn)化效率分別為 411 54 W 42 38 關(guān)鍵詞 入射偏角 復(fù)合多曲面 聚光 性能 效率 中圖分類號 TK519 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號 1671 5292 2021 08 1038 07 0 引言 太陽能光熱轉(zhuǎn)化裝置作為太陽能熱利用系統(tǒng) 的核心裝置 可以實(shí)現(xiàn)對入射太陽光的收集 聚 焦 吸收 轉(zhuǎn)化以及對外輸出高品位熱能的目 的 1 太陽能光熱轉(zhuǎn)化裝置包括非聚光型和聚光 型兩種 2 復(fù)合多曲面聚光器 Compound Multi surface Concentrator 是一種非成像聚光型集熱 器 該聚光器由 Winston 教授于 1974 年首次提 出 具有接收半角大 可接收直射光和部分散射 光 對跟蹤精度要求低等特點(diǎn) 3 目前 國內(nèi)外研 究人員對復(fù)合多曲面聚光器進(jìn)行了大量研究 并 廣泛應(yīng)用到實(shí)際工程中 為了解光線入射偏角對非跟蹤復(fù)合多曲面聚 光器聚光集熱性能的影響 陳嘉祥研究了不同安 裝傾角下聚光器的光學(xué)性能 研究結(jié)果表明 按月 份調(diào)整安裝傾角時(shí) 聚光器的年總光學(xué)效率較高 為98 1 4 Lara對比研究了在固定安裝與增設(shè)跟 蹤系統(tǒng)條件下 復(fù)合多曲面聚光器的聚光集熱性 能 研究結(jié)果表明 增設(shè)跟蹤系統(tǒng)后 聚光器接收 到的太陽輻射能較多 為 27 96 kW h m 2 5 Li Yongcai 提出了一種可以增大多截面復(fù)合多曲面 聚光器接收角的優(yōu)化方法 通過研究發(fā)現(xiàn) 優(yōu)化后 的四截面復(fù)合多曲面聚光器的接收角比傳統(tǒng)復(fù)合 多曲面聚光器提高了 47 6 李怡暄在光線正入 射的條件下 對復(fù)合拋物面聚光器聚光集熱性能 進(jìn)行了測試分析 發(fā)現(xiàn)當(dāng)空氣流速由 3 03 m s 減 小至1 03 m s時(shí) 接收體出口處空氣最高溫度由 44 13 升高至70 9 7 此外 針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域 研究人員設(shè)計(jì)了 可與用能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)耦合 滿足光熱需求的復(fù) 合多曲面聚光集熱裝置 Mboup設(shè)計(jì)了一種壁掛 式太陽能聚光集熱器 通過研究發(fā)現(xiàn) 在相同條件 可再生能源 Renewable Energy Resources 第 39 卷 第 8期 2021 年 8月 Vol 39 No 8 Aug 2021 1038 DOI 10 13941 ki 21 1469 tk 2021 08 008 下 該集熱器接收到的太陽能為真空集熱管的5 5 倍 8 Deng Chenggang對可安裝于建筑南墻的真空 管式復(fù)合多曲面聚光器進(jìn)行測試 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 該復(fù)合多曲面聚光器的最高 平均熱效率分別為 55 4 51 4 9 常澤輝研究了應(yīng)用于太陽能干燥 系統(tǒng)的槽式復(fù)合多曲面聚光器的聚光集熱性能 通過分析發(fā)現(xiàn) 晴天 在空氣流速為 6 5 m s 的條 件下 當(dāng)太陽光正入射聚光器時(shí) 接收體出口處的 空氣溫度比太陽光徑向入射偏角為10 時(shí)提高了 7 8 10 李建業(yè)研究了應(yīng)用于建筑采暖系統(tǒng)的復(fù) 合拋物面聚光器的聚光集熱性能 通過分析發(fā)現(xiàn) 在徑向入射偏角為10 的條件下 當(dāng)接收體中心 與聚光器底部之間的間距為 90 mm 時(shí) 聚光器的 光線接收率和聚光效率最優(yōu) 分別為 65 54 60 25 11 綜上可知 由太陽高度角和方位角變化引起 的光線入射偏角 對復(fù)合多曲面聚光器的聚光集 熱性能影響較大 本文對復(fù)合多曲面聚光設(shè)施農(nóng) 業(yè)土壤供熱系統(tǒng)中 復(fù)合多曲面聚光器聚光集熱 性能受光線入射偏角的影響展開研究 首先 建立 了復(fù)合多曲面聚光器的三維模型 并將三維模型 導(dǎo)入到光學(xué)仿真軟件 TracePro 中 計(jì)算并分析了 徑向入射偏角對復(fù)合多曲面聚光器光線傳播聚焦 過程的影響 然后 計(jì)算復(fù)合多曲面聚光器在不同 光線入射偏角的光線接收率和聚光效率 并分析 二者隨徑向和軸向入射偏角的變化規(guī)律 基于仿 真計(jì)算結(jié)果 搭建了復(fù)合多曲面聚光器光熱性能 試驗(yàn)臺 探究在晴天條件下 該聚光器的各運(yùn)行參 數(shù)對其出口處空氣溫度和瞬時(shí)集熱量的影響機(jī) 理 1 復(fù)合多曲面聚光設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤供熱系統(tǒng) 1 1 復(fù)合多曲面聚光設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤供熱系統(tǒng) 本文將由復(fù)合多曲面聚光器組成的太陽能聚 光集熱系統(tǒng)與設(shè)施農(nóng)業(yè)相結(jié)合 集成為復(fù)合多曲 面聚光設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤供熱系統(tǒng) 見圖1 該系統(tǒng)可 以提高種植土壤溫度 保障設(shè)施農(nóng)業(yè)冬季作物的 連續(xù)生長 當(dāng)復(fù)合多曲面聚光集熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí) 由引風(fēng) 機(jī)驅(qū)動的低溫空氣經(jīng)循環(huán)管路進(jìn)入集熱系統(tǒng)中的 第一個(gè)聚光器內(nèi) 并與接收太陽光線后的高溫接 收體進(jìn)行換熱 空氣溫度逐漸升高 隨后 空氣進(jìn) 入下一個(gè)聚光器內(nèi) 并以同樣的方式繼續(xù)升溫 從 而實(shí)現(xiàn)復(fù)合多曲面聚光集熱系統(tǒng)內(nèi)空氣的梯級升 溫 最后 高溫空氣經(jīng)循環(huán)管路進(jìn)入設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤 中 將熱量經(jīng)換熱管路傳遞給種植土壤 并儲存在 土壤中 以滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)冬季種植的需求 復(fù)合多曲面聚光器是復(fù)合多曲面聚光設(shè)施農(nóng) 業(yè)土壤供熱系統(tǒng)的驅(qū)動熱源 因此 復(fù)合多曲面聚 光器聚光集熱性能的優(yōu)劣決定了復(fù)合多曲面聚光 集熱系統(tǒng)能否輸出滿足集熱需求的高溫空氣 鑒 于此 本文對復(fù)合多曲面聚光器的聚光集熱性能 展開理論分析和試驗(yàn)測試 1 2 復(fù)合多曲面聚光器三維模型的建立 為了明確復(fù)合多曲面聚光器的光學(xué)性能 本 文首先利用 SolidWorks 軟件建立了復(fù)合多曲面 聚光器三維模型 12 復(fù)合多曲面聚光器三維模型 如圖2所示 圖2中 復(fù)合多曲面聚光器的入光口面積為 1 3 m 2 高度為 319 mm 由圖 2 可知 復(fù)合多曲面 聚光器由腔體 玻璃蓋板 單層玻璃管和內(nèi)置的接 收體等部件組成 復(fù)合多曲面聚光器具有如下特 點(diǎn) 聚光器腔體為玻璃鋼材料 其導(dǎo)熱系數(shù)較 小 可有效減少聚光器在運(yùn)行時(shí)的散熱損失 聚 光器的光熱轉(zhuǎn)化組件由內(nèi)嵌接收體的單層玻璃管 構(gòu)成 其中 單層玻璃管造價(jià)低 易連接 而接收體 圖 1 復(fù)合多曲面聚光設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤供熱系統(tǒng)示意圖 Fig 1 Structure diagram of compound multi surface concentrating facility agricultural soil heating system 1 復(fù)合多曲面聚光器 2 空氣出口 3 換熱管路 4 空氣進(jìn) 口 5 土壤 6 設(shè)施農(nóng)業(yè) 1 2 3 4 5 6 圖 2 復(fù)合多曲面聚光器三維模型 Fig 2 3D model of compound multi surface concentrator 玻璃蓋板 單層玻璃管 腔體 接收體 1039 劉雪東 等 應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤供熱系統(tǒng)的復(fù)合多曲面聚光器的聚光集熱性能研究 可根據(jù)不同的用熱需求進(jìn)行優(yōu)化 聚光器入光 口處覆蓋超白玻璃蓋板 這樣不僅可以保護(hù)聚光 器腔內(nèi)部件免受外界破壞 還可以有效減少接收 體與環(huán)境之間的輻射和對流散熱損失 2 復(fù)合多曲面聚光器的光學(xué)性能分析 復(fù)合多曲面聚光器將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能的過 程主要包括光線匯聚和光熱轉(zhuǎn)化 實(shí)現(xiàn)聚光器高 效光熱轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵是對入射光線進(jìn)行有效聚焦 利用光學(xué)仿真軟件 TracePro 可以直觀展現(xiàn)光線 在聚光器內(nèi)的傳播與聚焦過程 并可對不同工況 下聚光器的光學(xué)性能進(jìn)行仿真計(jì)算 將建好的復(fù)合多曲面聚光器三維模型導(dǎo)入 TracePro 軟件中 建立 500 200 條矩形格點(diǎn)光源 所設(shè)定的太陽輻照度值與實(shí)際測試值相接近 為 700 W m 2 設(shè)定玻璃蓋板的光線透射率與聚光反 射面的光線反射率均為 0 92 并將接收體設(shè)置成 直徑為100 mm 表面吸收率為1的圓柱體 2 1 徑向入射偏角對復(fù)合多曲面聚光器光學(xué)性能 的影響 光線入射偏角 聚光反射面的光線反射率 接 收體的形狀及其表面吸收率等均為復(fù)合多曲面聚 光器光學(xué)性能的影響因素 對于朝向正南 固定 安裝的復(fù)合多曲面聚光器 光線入射偏角是影響 其光學(xué)性能的主要因素 而且影響程度會隨著運(yùn) 行時(shí)間的延續(xù)而發(fā)生變化 當(dāng)聚光器沿東西方向 固定安裝時(shí) 光線入射偏角可以分解為由太陽高 度角引起的徑向入射偏角 和由太陽方位角引 起的軸向入射偏角 本文著重研究聚光器固定 安裝時(shí) 其光學(xué)性能隨徑向入射偏角的變化規(guī)律 在不同徑向入射偏角下 復(fù)合多曲面聚光器 的光線追跡情況如圖3所示 由圖 3 a 可知 進(jìn)入聚光器內(nèi)的光線大部分 被接收體接收 且光線在聚光器內(nèi)的傳播聚焦呈 對稱分布 由圖 3 b c d 可知 進(jìn)入到聚光 器內(nèi)的大多數(shù)光線被接收體接收 少數(shù)光線經(jīng)聚 光器反射后逸出 隨著徑向入射偏角的增大 被接 收體接收的光線逐漸減少 逸出聚光器的光線逐 漸增多 并且被接收體接收的大多數(shù)光線聚焦于 接收體的右側(cè)表面 綜上可知 當(dāng)徑向入射偏角變化時(shí) 會對聚光 器的光學(xué)性能產(chǎn)生影響 但未能確定徑向入射偏 角與聚光器光學(xué)性能的定量關(guān)系 基于此 本文采 用聚光器的光線接收率和聚光效率作為復(fù)合多曲 面聚光器光學(xué)性能的定量評價(jià)參數(shù) 二者的計(jì)算 式分別為 13 n N N 0 0 1 o E E 0 0 2 式中 n 為聚光器的光線接收率 N 為 徑向入射偏角為 軸向入射偏角為 時(shí)接收體 表面接收到的光線數(shù) N 0 0 為正入射時(shí)進(jìn)入聚 光器入光口的光線數(shù) o 為聚光器的聚光效 率 E 為徑向入射偏角為 軸向入射偏角為 時(shí)接收體表面的能流密度 W m 2 E 0 0 為正入 射時(shí)光線進(jìn)入聚光器入光口時(shí)的能流密度 W m 2 當(dāng)徑向入射偏角為0 20 時(shí) 復(fù)合多曲面聚 光器光學(xué)性能參數(shù) 光線接收率和聚光效率 隨徑 向入射偏角的變化情況如圖4所示 a 0 b 5 c 10 圖 3 在不同徑向入射偏角下 復(fù)合多曲面聚光器的 光線追跡 Fig 3 Ray tracing of compound multi surface concentrator at different radial deflective incidence angle d 15 1040 可再生能源 2021 39 8 由圖4可知 當(dāng)徑向入射偏角增大時(shí) 聚光器 的光線接收率和聚光效率的變化趨勢一致 且光 線正入射時(shí) 二者達(dá)到最高值 分別為 96 00 和 81 67 當(dāng)徑向入射偏角 14 時(shí) 聚光器的光線 接收率和聚光效率受徑向入射偏角的影響較小 僅當(dāng)徑向入射偏角為4 9 時(shí)略有降低 此時(shí)聚光 器的光線接收率和聚光效率的平均值分別為 93 00 79 10 當(dāng)徑向入射偏角 14 時(shí) 聚光器 的光線接收率和聚光效率均急劇降低 當(dāng)徑向入 射偏角為20 時(shí) 聚光器的光線接收率和聚光效 率分別為46 50 39 49 綜上可知 該聚光器在 運(yùn)行時(shí)可以固定安裝或季節(jié)性調(diào)整運(yùn)行 2 2 軸向入射偏角對復(fù)合多曲面聚光器光學(xué)性能的 影響 除徑向入射偏角外 軸向入射偏角同樣會對 沿東西方向固定安裝的聚光器光學(xué)性能產(chǎn)生影 響 復(fù)合多曲面聚光器的光學(xué)性能參數(shù)隨軸向入 射偏角的變化情況如圖5所示 由圖可知 當(dāng)軸向 入射偏角為 20 20 時(shí) 聚光器的光線接收率和 聚光效率的變化趨勢一致 且呈對稱趨勢 當(dāng)軸向 入射偏角為 6 6 時(shí) 聚光器的光線接收率和聚 光效率受軸向入射偏角的影響很小 此時(shí) 二者的 平均值分別為95 97 81 26 隨著軸向入射偏 角的增大 二者開始降低 當(dāng)軸向入射偏角增大到 20 時(shí) 聚光器的光線接收率和聚光效率分別為 87 94 74 50 鑒于太陽方位角每小時(shí)的變化 幅度小于15 且正午前后太陽輻照度值最高 因 此 當(dāng)復(fù)合多曲面聚光器固定安裝時(shí) 保證 12 00 軸向入射偏角為0 便可達(dá)到較好的聚光集熱效 果 3 復(fù)合多曲面聚光器聚光集熱性能研究 本文基于上述復(fù)合多曲面聚光器光學(xué)性能的 仿真計(jì)算結(jié)果 搭建了復(fù)合多曲面聚光器光熱性 能測試臺 在晴天條件下 測試分析了運(yùn)行參數(shù)對 聚光器聚光集熱性能的影響 為后續(xù)復(fù)合多曲面 聚光集熱系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐 3 1 試驗(yàn)測試系統(tǒng)及方法 復(fù)合多曲面聚光器光熱性能測試臺包括復(fù)合 多曲面聚光器 換熱空氣驅(qū)動系統(tǒng)和數(shù)據(jù)測試采 集系統(tǒng) 其中 復(fù)合多曲面聚光器是根據(jù)其三維模 型尺寸自制而成 并將其入光口朝向正南固定放 置 安裝傾角可以手動調(diào)整 復(fù)合多曲面聚光器測 試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示 試驗(yàn)過程中 空氣流速由引風(fēng)機(jī)控制 并由 testo 405i 熱線風(fēng)速儀實(shí)時(shí)校核 聚光器進(jìn) 出口 處空氣溫度和環(huán)境溫度由 K 型熱電偶 測試精度 為 0 5 測量 測量數(shù)據(jù)由 Sin R6000C 無紙記 錄儀實(shí)時(shí)記錄 同時(shí)選用 TRM FD1 太陽能發(fā)電 圖4 復(fù)合多曲面聚光器光學(xué)性能參數(shù)隨徑向入射偏角的 變化情況 Fig 4 Variation of optical performance of compound multi surface concentrator with radial deflective incidence angle 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 入射偏角 40 50 60 70 80 90 100 光 線 接 收 率 40 50 60 70 80 90 100 30 聚 光 效 率 聚光效率 光線接收率 1 引風(fēng)機(jī) 2 熱線風(fēng)速儀 3 復(fù)合多曲面聚光器 4 循環(huán)管 路 5 太陽輻照度計(jì) 6 無紙記錄儀 7 環(huán)境測溫點(diǎn) 圖 6 復(fù)合多曲面聚光器測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig 6 Schematic drawing of testing bench of compound multi surface concentrator 1 2 3 4 56 7 空氣入口 空氣出口 1041 劉雪東 等 應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤供熱系統(tǒng)的復(fù)合多曲面聚光器的聚光集熱性能研究 圖 5 復(fù)合多曲面聚光器的光學(xué)性能參數(shù)隨軸向 入射偏角的變化情況 Fig 5 Variation of optical performance of compound multi surface concentrator with axial deflective incidence angle 20 16 12 8 4 0 4 8 12 16 20 入射偏角 80 83 86 89 92 95 98 光 線 接 收 率 73 76 79 82 85 88 70 聚 光 效 率 聚光效率 光線接收率 監(jiān)測站系統(tǒng)對太陽輻照度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集 試驗(yàn)測 試地點(diǎn)為內(nèi)蒙古呼和浩特市內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)太 陽能光熱產(chǎn)業(yè)示范基地 N40 50 E111 42 測 試期間 空氣平均流速穩(wěn)定在 2 13 m s 左右 并在 試驗(yàn)測試前完成了對測試儀器和測試元件的校 核 測試時(shí) 選用光熱轉(zhuǎn)化效率 t 作為復(fù)合多曲 面聚光器聚光集熱性能的評價(jià)參數(shù) t 的計(jì)算式為 14 t Q GA 3 式中 Q 為聚光器瞬時(shí)集熱量 W G 為進(jìn)入聚光 器入光口的太陽輻照度 W m 2 A 為聚光器入光 口面積 m 2 Q的計(jì)算式為 Q mc p t out t in 4 式中 m 為聚光器中玻璃管內(nèi)換熱介質(zhì)的流量 kg s c p 為對應(yīng)運(yùn)行溫度下的空氣比熱容 J kg K t out t in 分別為接收體進(jìn) 出口處的空氣溫度 K 3 2 試驗(yàn)測試結(jié)果分析 固定安裝的復(fù)合多曲面聚光器在徑向入射 偏角為0 的運(yùn)行時(shí)間較少 因此 本文選取的測 試日期為 2021 年 3 月 20 日 22 日 復(fù)合多曲面 聚光器聚光集熱性能測試時(shí)間選在太陽高度角 變化較小的10 00 14 00 測試當(dāng)天 太陽輻照度與環(huán)境溫度隨測試時(shí) 間的變化情況如圖7所示 測試期間 接收體進(jìn) 出口處空氣溫度隨時(shí) 間的變化情況如圖8所示 由圖8可知 接收體出口處空氣溫度的變化 趨勢與太陽輻照度的變化趨勢一致 在正午時(shí) 接 收體出口處空氣溫度與溫升達(dá)到最大值 分別為 46 9 18 4 測試期間 聚光器出口處空氣平均 溫度與溫升分別為 43 1 15 7 正午時(shí) 接收體 出口處溫度高的原因?yàn)樘柟庹肷渚酃馄?進(jìn) 入聚光器匯聚到接收體上的光線數(shù)量最多 且此 時(shí)太陽輻照度為一天中最大值 并且此時(shí)環(huán)境溫 度較高 接收體內(nèi)空氣散熱損失較小 正午以后 隨著測試時(shí)間的推移 太陽輻照度逐漸降低 光線 入射偏角逐漸增大 導(dǎo)致出口處空氣溫度逐漸降 低 這與光學(xué)仿真結(jié)果一致 瞬時(shí)集熱量可以直觀地反映復(fù)合多曲面聚光 器的聚光集熱性能 測試期間 聚光器瞬時(shí)集熱量 隨測試時(shí)間的變化情況如圖9所示 由圖9可知 聚光器瞬時(shí)集熱量隨測試時(shí)間 的變化呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢 且在 12 00 左右達(dá)到最大值 為 411 54 W 由式 4 可 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 時(shí)刻 200 瞬 時(shí) 集 熱 量 W 250 300 350 400 450 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 時(shí)刻 20 48 溫 度 出口溫度 進(jìn)口溫度 41 34 27 圖 8 接收體進(jìn) 出口處空氣溫度隨時(shí)間的變化情況 Fig 8 Variation of air temperature of receiver inlet and outlet with time 圖 7 太陽輻照度與環(huán)境溫度變化曲線隨測試時(shí)間的 變化情況 Fig 7 Variation curve of solar irradiance and ambient temperature with time 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 時(shí)刻 400 800 太 陽 輻 照 度 W m 2 0 10 20 30 40 50 10 環(huán) 境 溫 度 環(huán)境溫度 太陽輻照度 700 600 500 圖 9 聚光器瞬時(shí)集熱量隨時(shí)間的變化情況 Fig 9 Variation of instantaneous heating collection of concentrator with time 1042 可再生能源 2021 39 8 1043 劉雪東 等 應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤供熱系統(tǒng)的復(fù)合多曲面聚光器的聚光集熱性能研究 知 影響聚光器瞬時(shí)集熱量的主要因素為接收體 進(jìn) 出口處空氣溫度的差值 由上文可知 接收體 出口處空氣溫度隨測試時(shí)間的變化趨勢與太陽輻 照度的變化趨勢一致 呈現(xiàn)出先增大后減小的變 化趨勢 而聚光器進(jìn)口處空氣溫度的變化幅度較 小 此外 由式 3 4 計(jì)算得出 測試期間 復(fù)合 多曲面聚光器的平均瞬時(shí)集熱量和最大光熱轉(zhuǎn)化 效率分別為352 07 W 42 38 4 結(jié)論 本文通過仿真模擬與試驗(yàn)測試探究了光線入 射偏角對應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤供熱的復(fù)合多曲面 聚光器聚光集熱性能的影響規(guī)律 首先 利用光 學(xué)仿真軟件 TracePro 對聚光器進(jìn)行光線追跡與 光學(xué)性能計(jì)算 隨后 在晴天條件下 通過測試復(fù) 合多曲面聚光器的空氣流速 進(jìn) 出口處空氣溫度 等參數(shù) 計(jì)算分析了聚光器在實(shí)際運(yùn)行工況下的 聚光集熱性能 得到以下結(jié)論 當(dāng)徑向入射偏角小于14 時(shí) 光線入射偏 角對聚光器光學(xué)性能的影響較小 當(dāng)光線正入射 時(shí) 復(fù)合多曲面聚光器的光線接收率和聚光效率 分別為96 00 81 67 當(dāng)軸向入射偏角為 6 6 時(shí) 復(fù)合多曲面 聚光器的平均光線接收率和聚光效率分別為 95 97 81 26 當(dāng)軸向入射偏角為20 時(shí) 復(fù)合 多曲面聚光器的平均光線接收率和聚光效率分別 為87 94 74 50 當(dāng)復(fù)合多曲面聚光器在晴天條件下運(yùn)行 時(shí) 接收體出口處空氣溫度變化趨勢與太陽輻照 度變化趨勢一致 且在正午時(shí)刻達(dá)到最大值 為 46 9 測試期間 聚光器的最大瞬時(shí)集熱量和光 熱轉(zhuǎn)化效率分別為411 54 W 42 38 參考文獻(xiàn) 1 王恩宇 孟穎 唐世乾 等 不同布置方式下真空管太 陽能集熱器的熱性能以及入射角修正系數(shù)的對比試 驗(yàn)研究 J 可再生能源 2020 38 11 1453 1459 2 E T Xia J T Xu F Chen Investigation on structural and optical characteristics for an improved compound parabolic concentrator based on cylindrical absorber J Energy 2021 219 1 14 3 R Winston Principles of solar concentrators of a novel design J Solar Energy 1974 16 89 95 4 陳嘉祥 楊俊玲 楊魯偉 矩形管吸收體均勻聚光器光 學(xué)性能 J 工程熱物理學(xué)報(bào) 2019 40 12 2712 2719 5 F Lara J Cerezo A Acu觡a et al Design optimization and comparative study of a solar CPC with a fully illuminated tubular receiver and a fin inverted V shaped receiver J Applied Thermal Engineering 2021 184 1 11 6 Y C Li F Jiao F Chen et al Design optimization and optical performance analysis on multi sectioned compound parabolic concentrator with plane absorber J Renewable Energy 2021 168 913 926 7 李怡暄 李建業(yè) 李雅茹 等 新型 V 形接收體復(fù)合拋 物面聚光器性能分析 J 可再生能源 2020 38 8 1029 1034 8 A Mboup M Nakayama A Akisawa Design and performance evaluation of a wall mounted solar concentrating collector J Thermal Science and Engineering Progress 2020 19 1 8 9 C G Deng F Chen Preliminary investigation on photo thermal performance of a novel embedded building integrated solar evacuated tube collector with compound parabolic concentrator J Energy 2020 202 1 16 10 常澤輝 李建業(yè) 李文龍 等 太陽能干燥裝置槽式復(fù) 合拋物面聚光器熱性能分析 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2019 35 13 197 203 11 李建業(yè) 常澤輝 李怡暄 等 可用于建筑采暖的槽式 復(fù)合拋物面聚光器光熱特性研究 J 可再生能源 2019 37 7 978 983 12 F Z Liu H F Zheng R H Jin et al Design of a multi surface solar concentrator J Journal of Daylighting 2019 6 176 186 13 賈檸澤 任志宏 常澤輝 等 太陽能建筑采暖系統(tǒng)槽 式復(fù)合多曲面聚光器性能研究 J 可再生能源 2017 35 8 1156 1161 14 黃夢蕭 王云峰 李明 等 非晶硅太陽能光伏 光熱空 氣集熱器性能對比實(shí)驗(yàn)研究 J 可再生能源 2021 39 4 455 463 Study on the concentrated heating performance of compound multi surface concentrator applied in facility agricultural soil heating system Liu Xuedong 1 Peng Yanan 1 2 Shao Zhengri 3 Ma Xinglong 4 Hou Jing 5 Chang Zehui 1 2 1 College of Energy and Power Engineering Inner Mongolia University of Technology Hohhot 010051 China 2 Engineering Center of Solar Energy Utilization Technology Inner Mongolia University of Technology Hohhot 010051 China 3 School of Mechanical and Power Engineering Yingkou Institute of Technology Yingkou 115000 China 4 School of Mechanical Engineering Beijing Institute of Technology Beijing 100081 China 5 College of Building Equipment and Automation Inner Mongolia Technical College of Construction Hohhot 010070 China Abstract In this paper the influence of deflective incidence angle on the concentrated heating performance of compound multi surface concentrator is explored by simulation and experimental testing Firstly the three dimensional model of compound multi surface concentrator is established and imported into the optical simulation software for ray tracing and optical performance calculation then the influence of radial and axial deflective incidence angle on the overall ray s receiving rate and concentrating efficiency of the concentrator is analyzed Finally based on the optical calculation results a photothermal performance testing platform of compound multi surface concentrator is set up and the concentrated heating performance of the concentrator beneath the conditions of sunny weather is analyzed The outcomes manifested that the radial deflective incidence angle has little effect on the optical performance of the concentrator when it s less than 14 and when the radial incidence angle is 20 the overall ray s receiving rate and concentrating efficiency are 46 50 and 39 49 respectively In addition the overall ray s receiving rate and concentrating efficiency of the concentrator decrease synchronously and symmetrically with the increase of the axial deflective incidence angle when the axial deflective incidence angle is 20 the overall ray s receiving rate and concentrating efficiency are 87 94 and 74 50 respectively When the compound multi surface concentrator operates in sunny weather it s outlet temperature change trend with operation time is consistent with the trend of solar radiation and it s maximum value at noon is 46 9 what s more the maximum instantaneous heating collection and light thermal conversion efficiency of the concentrator during the testing period are 411 54 W and 42 38 respectively Key words deflective incidence angle compound multi surface concentrating performance efficiency 1044 可再生能源 2021 39 8