线性菲涅尔聚光系统具有成本低、占地面积小、光学效率高等优点^[1]。与传统的聚光器相比, 基于线性菲涅尔反射结构的聚光器更加轻量化、微型化, 在城市高层建筑中具有良好的应用前景, 因此受到了广泛的关注^[2-5]。然而, 目前大多数聚光器都采用单焦点的聚光结构, 但这一结构会增加相邻镜元间的遮挡损失, 从而降低光学效率。对于主反射镜采用抛物面的聚光系统, 虽然可以减少遮挡, 但增加了系统的安装难度和维护成本^[6], 难以应用于高层建筑中。

基于双焦点结构的线性菲涅尔聚光器设置了2个太阳能接收器, 聚光镜场采用平面镜, 太阳入射光线经平面镜分别反射至2个接收器上^[7], 有效减少了遮挡损失, 节省了制造成本, 对提高太阳能利用率及聚光器与建筑物的高效整合有着重要意义。文献[8]设计了一种双焦点线性菲涅尔反射镜, 在镜场面积相同的条件下, 能获得比单焦点聚光器更高的光学效率。文献[9]设计了一种结构紧凑的双焦点聚光器, 可应用于建筑屋顶和外墙, 其理论光学效率达到了95%, 可是仍处于概念设计阶段, 并没有相应的实物。文献[10]设计了一种双焦点线性菲涅尔聚光器并进行了性能分析, 结果显示该聚光器的理论光学净效率最大可达77%。

目前, 对于双焦点聚光器的研究多为聚光镜场的理论设计和光学性能分析, 已有的研究缺少对不同聚光镜场布局的比较和对集热性能的实验研究, 无法保证聚光器在户外条件下能稳定运行并达到预期的性能。因此, 本文设计了一种建筑整合式双焦点微型聚光器, 利用光学模拟对比不同布局的聚光器在不同安装位置的光学性能, 确定合适的聚光镜场布局, 搭建聚光器原型机。通过对聚光器进行户外集热性能测试, 分析了其在不同安装位置的集热效率, 并与平板集热器进行了性能对比。

双焦点微型聚光器由聚光镜场、外部框架、传动系统和太阳能接收器4个子结构组成, 整体尺寸为1 586 mm×855 mm×360 mm, 如图 1所示。其中, 镜场由2组共22个镜元组成, 每面镜元的长度为1 500 mm, 宽度为30 mm, 相邻镜元的中心间距为35 mm。为了适应高层建筑的安装条件, 将聚光器的焦距设计为250 mm。

聚光器对太阳光线的精准跟踪通过传动系统实现, 传动结构通过2个步进电机分别驱动2组各11面镜元, 每面镜元的旋转角度相同。利用单片机控制电机, 驱动镜元按特定角度旋转, 实现跟踪阳光的功能。该系统重量轻、成本低、拆装方便, 具有良好的追光精度, 可保证阳光经反射后准确地聚焦在焦点的接收器上。

建筑整合式聚光器在屋顶和外墙的安装示意如图 2所示。

聚光镜场的设计是影响聚光器光学性能的重要因素之一。双焦点聚光器的镜场可采用无交错式、部分交错式和交错式3种不同的布局方式, 如图 3所示。

为了对比不同聚光镜场布局对聚光器光学性能的影响, 本文通过基于蒙特卡洛法的光学模拟, 在相同的焦距和镜元宽度条件下, 对不同镜场布局进行了分析, 并与单焦点布局进行对比。

由于聚光器仅依靠旋转镜元跟踪阳光, 因此聚光镜场的物理模型只需要考虑二维平面。确定了焦距和镜元间距之后, 每面镜元的跟踪倾角可通过太阳高度角和太阳方位角计算获得^[11-12]。

建筑整合式聚光器可应用于建筑屋顶和外墙, 因此比较不同聚光镜场的光学性能时, 需要考虑不同安装位置对聚光器光学性能的影响。聚光器的光学模型包括聚光镜场(反射镜元和底部反射膜)、外部框架和太阳能接收器3部分, 对应的几何参数和光学特性如表 1所示。

在光学模型中, 安装于外墙的聚光器的中轴线与地面是垂直的, 安装于屋顶的聚光器的中轴线与地面呈30°夹角。聚光器南北放置, 聚光镜场沿东西方向布置, 跟踪太阳方位角。模型中的光源位置根据上海冬至日不同时刻的太阳高度角和太阳方位角计算确定。选择冬至日的原因是: 冬至日上海的太阳高度角达到全年最小值, 可以分析外墙安装的聚光器在最佳条件下的光学性能。此外, 冬至日与户外实验日期接近, 模拟结果可与实验结果对比验证。

根据GB/T 26972—2011, 采用光学效率对聚光器的光学性能进行表征。光学效率为经过聚光镜场反射后被接收器接收的太阳辐射能与入射至聚光镜场的总法向太阳能直射辐射能的比值, 计算公式^[13]为

$ {\eta _{{\rm{op }}}} = \frac{{{Q_{\rm{r}}}}}{{IA}} $

(1)

式中: η_op——聚光器的光学效率;

Q_r——被接收器接收的太阳辐射能, W;

I——法向太阳直射辐照度, W/m²;

A——聚光镜场总面积, m²。

不同镜场布局的聚光器在外墙安装和屋顶安装时的光学效率如图 4所示。

由图 4可以看出, 对于不同镜场布局的聚光器, 光学效率存在明显差异。图 4(a)中, 当聚光器安装在建筑外墙时, 无交错式布局的聚光器的光学效率在任何时刻都是最高的, 部分交错式布局略低于无交错式布局, 两者的光学效率都明显高于单焦点式, 交错式布局与单焦点式接近。图 4(b)中, 当聚光器安装在屋顶时, 无交错式和部分交错式布局的聚光器的光学效率依然明显高于另外两种布局, 而交错式和单焦点式布局的光学效率较低。上述结果表明: 在相同的焦距和镜元宽度条件下, 无论聚光器安装在建筑外墙还是屋顶, 单焦点式布局的光学效率都是最低的。在3种双焦点布局中, 无交错式和部分交错式布局都能显著提升聚光器的光学效率, 但交错式布局的光学效率并没有明显改善。造成这种现象的原因是: 在单焦点式布局中, 远离接收器的镜元存在较多相互遮挡的现象, 因此光学效率较低, 而双焦点式布局可以有效减少遮挡损失。此外, 在3种双焦点布局中, 交错式布局虽然显著改善了镜元遮挡的现象, 但同时也导致了镜元间隙增大, 造成了大量的漏光损失, 具体如图 5所示。

由图 5可以看出, 交错式布局由于漏光而落在投影平面上的光线数量明显多于另外两种布局。因此, 在相同的焦距和镜元宽度条件下, 无交错式和部分交错式布局在减少遮挡损失的同时, 避免了更多的漏光损失, 显著提高光学效率。

根据图 4中的数据计算得到聚光器的理论光学效率如表 2所示。

由表 2可以看出, 聚光器安装在外墙时的理论光学效率与安装在屋顶时接近。对于4种布局的聚光器, 屋顶安装时的理论光学效率比外墙安装时高1%。此外, 外墙安装的聚光器在12:00的光学效率比前后一小时略高, 这是因为反射膜将部分光线二次反射回接收器, 降低了末端损失, 使光学效率获得了一定的提升。聚光器安装在外墙时的末端损失比安装在屋顶时更大, 并且末端损失在12:00时达到了一天中的最大值, 所以此时反射膜对光学效率的提升最为显著。

通过以上分析可以发现, 双焦点聚光器采用无交错式或部分交错式布局可以显著提高光学效率, 并且屋顶安装与外墙安装的光学性能较为接近。考虑到传动系统中采用2组电机分别控制2组镜元, 为了降低传动系统的安装难度, 最终将后续实验中的聚光镜场设计成双焦点无交错式布局。

为了测试双焦点微型聚光器的集热性能, 本文搭建了一套太阳能热水系统, 并以聚光器作为集热单元, 进行了户外实验。实验地点位于同济大学嘉定校区机械学院天台(东经121.22°, 北纬31.29°), 实验开始时间为每日的9:30, 结束时间为每日的15:30, 实验时长6 h。两次实验分别是屋顶安装(倾斜30°)的聚光器与平板集热器的性能对比实验, 以及外墙安装(倾斜75°)的聚光器与平板集热器的性能对比实验。聚光器的有效集热面积为0.99 m², 聚光镜场沿东西方向跟踪太阳方位角。平板集热器的有效集热面积为1.85 m², 放置方式与聚光器相同。此外, 采用高透光率的亚克力板将聚光器密封, 并在各部件连接处涂上隔热密封胶, 减少空气与太阳能接收器之间的对流换热。同时, 给管路和水箱加装保温棉, 进一步减少系统热损失。完整的实验系统照片如图 6所示。

实验中所使用的测试仪器型号及精度如表 3所示。实验中使用流量为1.44 L/min的循环水泵从水箱中抽水。

为了定量地描述聚光器的集热性能, 使用聚光器的瞬时集热效率和日平均集热效率进行表征。瞬时集热效率计算公式^[14]为

$ {\eta _{\rm{t}}} = \frac{{{C_{\rm{p}}}m\Delta T}}{{{A_{\rm{c}}}G}} $

(2)

式中: η_t——瞬时集热效率;

C_p——循环水的比热容, J/(kg·K);

m——循环水的质量流量, kg/s;

ΔT——聚光器进出口温差, K;

A_c——聚光器集热面积, m²;

G——太阳辐照度, W/m²。

日均集热效率的计算公式为

$ \eta = \frac{{{C_{\rm{p}}}\rho V\left( {{t_{\rm{e}}} - {t_{\rm{s}}}} \right)}}{{{A_{\rm{c}}}I}} $

(3)

式中: η——日均集热效率;

ρ——水的密度, kg/m³;

V——水箱内水的体积, m³;

t_e——实验结束时水箱中的水温, ℃;

t_s——实验开始时水箱中的水温, ℃;

I——实验期间集热面积上所获得的太阳能辐射总量, MJ/m²。

实验日期为2022年12月14日, 实验当日的环境温度变化范围为4.4~11.0 ℃, 实验期间的总辐射累积量为14.52 MJ/m², 直射辐射累积量为10.56 MJ/m²。屋顶安装的聚光器和平板集热器的水温、辐照度和集热效率的变化如图 7所示。

由图 7可以看出, 实验开始时的总辐照度为631 W/m², 直射辐照度约为353 W/m², 此后一直保持上升趋势并在中午达到最大值, 最大总辐照度和直射辐照度分别为828 W/m²和656 W/m²。随着辐照度的增加, 聚光器和平板集热器的水温也不断上升, 并在13:00~13:30之间达到最大值。其中, 聚光器的最高水温为47.2 ℃, 平板集热器的最高水温为66 ℃。但随着实验的进行, 辐照度迅速下降。由于平板集热器没有追踪阳光的功能, 收集的太阳能明显少于聚光器, 且平板集热器水温与环境温度相差较大, 散热面积也远大于聚光器, 因此平板集热器的热损失较聚光器更多, 在实验的后两个小时中, 水温从63.3 ℃下降至48.3 ℃。而聚光器散热面积较小, 并且始终在追踪阳光, 温度下降缓慢, 实验结束时的水温为44 ℃, 较最高水温只下降了3.2 K。

在集热效率方面, 由于实验开始前聚光器和平板集热器已经接收了一小段时间的太阳辐射, 因此实验开始时进出口水温已存在一定温差, 瞬时集热效率较高。随着实验的进行, 集热效率逐渐下降。由于平板集热器无法追踪阳光, 并且散热面积较大, 因此瞬时集热效率始终低于聚光器。此外, 实验过程中的环境温度很低, 水温与环境温度之间存在较大温差, 因此聚光器和平板集热器的热损失均较大。实验结束后, 聚光器的日均集热效率为24.3%, 平板集热器的日均集热效率仅为12.1%。根据以上分析, 在环境温度较低的冬天, 屋顶安装的聚光器的集热性能明显优于平板集热器。

实验日期为2022年12月15日, 当日的环境温度变化范围为6.4~16.1 ℃, 实验期间的总辐射累积量为15.59 MJ/m², 直射辐射累积量为11.97 MJ/m²。外墙安装的聚光器和平板集热器的水温、辐照度和集热效率的变化如图 8所示。

由图 8可以看出, 实验当日辐照度较强, 实验开始时总辐照度达到了677 W/m², 直射辐照度为448 W/m²。最大总辐照度达到了898 W/m², 最大直射辐照度达到了685 W/m²。聚光器和平板集热器的水温随着辐照度的增加而升高, 进出口温差也在不断增大。平板集热器在13:00左右达到了最高水温, 为64.2 ℃, 之后由于无法追踪阳光且散热面积较大, 水温出现明显下降。随着实验的进行, 虽然辐照度不断降低, 但环境温度逐渐升高, 聚光器凭借着追光功能和散热面积较小的优势, 水温在13:00~14:00时段依然维持缓慢上升的趋势, 最大水温在14:00左右才出现, 达到了48.2 ℃。实验结束时, 平板集热器的最终水温为51.4 ℃, 聚光器的最终水温为45.8 ℃。

在集热效率方面, 由于实验开始前接收了太阳辐射, 聚光器和平板集热器的初始集热效率较高, 之后逐渐降低。在上午辐照度增加的时段, 聚光器和平板集热器的瞬时热效率接近。随着辐照度开始下降, 聚光器追踪阳光和散热面积小的优势开始逐渐显现, 一直到实验结束前, 聚光器的瞬时集热效率都要明显高于平板集热器。实验结束时, 聚光器的日均集热效率为22.0%, 平板集热器的日均集热效率为12.0%。根据以上分析, 安装于外墙的聚光器的集热性能同样明显优于平板集热器。

本文设计了一种建筑整合式双焦点微型聚光器, 可以安装在高层建筑的外墙和屋顶。通过对不同布局以及不同安装位置的聚光器进行光学模拟和户外集热性能测试, 得出了以下结论。

(1) 聚光镜场布局对聚光器的光学效率有重要影响。根据光学模拟结果, 在相同的焦距和镜元宽度条件下, 采用双焦点无交错式布局时, 聚光器可以获得最高的光学效率。外墙安装和屋顶安装时的理论光学效率分别为62.5%和63.6%, 比双焦点交错式和单焦点式布局高7%, 比双焦点部分交错式布局高1%。此外, 安装位置对聚光器的光学效率影响较小。

(2) 根据户外集热性能测试结果, 在屋顶安装和外墙安装的聚光器日均集热效率分别为24.3%和22.0%, 均比平板集热器高10%以上。可见, 在满足冬季用水温度的条件下, 聚光器在不同安装位置时的集热效率都优于平板集热器。这使得其在太阳能利用与建筑一体化领域具有良好的应用前景。