复合抛物面聚光器的光热联合建模方法
【专利摘要】本发明公开了一种复合抛物面聚光器的光热联合建模方法，首先，根据几何设计参数生成复合抛物面聚光器的几何模型；继而读取太阳光照数据，结合复合抛物面聚光器安装表面的朝向与倾斜角度，进行光线追踪，估算复合抛物面聚光器各个部件表面由于光照带来的热流分布；再将计算所得的热流分布作为热流型边界条件加入复合抛物面聚光器的热力学模型，结合天气数据和运行参数计算出温度分布；最后，根据温度分布计算出收集并转化的太阳能、运行效率及其他性能指标。本发明为复合抛物面聚光器提供了一种更加准确全面的建模方法，弥补了现有建模方法缺少光热联合的不足，可以为复合抛物面聚光器的设计提供更强大、更快速的仿真工具。
【专利说明】
复合抛物面聚光器的光热联合建模方法
技术领域
[0001] 本发明属于太阳能聚光器领域，涉及复合抛物面聚光器的光热联合建模方法。
【背景技术】
[0002] 复合抛物面聚光器(CompoundParabolicConcentrator)是由美国物理学家Roland Winston于20世纪70年代根据最大聚光比理论和边缘光线原则设计的一种非成像聚光器。 根据相关的光学原理，理想复合抛物面聚光器的特点是，当入射光线相对于入射面处于一 定的接收角度(Acceptance angle，0_a)范围内时，全部入射光线均可被反射至接收器，即 拦截因子（Intercept factor)为100%。实际应用中，由于生产误差和工程应用的限制，拦 截因子小于100%，但通常可达到90%以上。因此，复合抛物面聚光器对跟踪太阳的要求很 低，把低聚光比复合抛物面聚光器安装在固定的倾斜面上，即可在一天的大部分时间里无 需任何追踪地、高效地聚集太阳光至接收器，相比于追踪式聚光器（如槽式抛物面聚光器） 可大大节省运行维护成本。复合抛物面聚光器的聚光比通常为1至10,适合提供250°C以下 的中低温热源。而中低温热源应用十分广泛，如热水供给、二氧化碳捕集、太阳能制冷制热 系统、海水淡化、水消毒系统等。由此可见，复合抛物面聚光器在中低温领域具有广阔的应 用前景。
[0003] 现有的复合抛物面聚光器设计过程中，光学仿真和热力学仿真往往被分开进行， 或只涉及光学仿真。中国专利0~101840067、0~103810352分别提出了基于1>3〇6?仰和 Matlab的复合抛物面聚光器建模方法，都局限于光学仿真。然而，热力学性能对复合抛物面 聚光器的设计也有显著影响，如实际应用对热源的温度要求会极大地影响接收角度和几何 聚光比的设计值。通常，在最优设计的复合抛物面聚光器中，接收角度和几何聚光比随着所 需热源温度的上升分别减小和增大。若仅进行光学仿真，可能无法满足热力学应用要求。因 此，当下急需一种复合抛物面聚光器的光热联合建模方法，对复合抛物面聚光器进行全面 的模拟和评估。
【发明内容】
[0004] 本发明解决的问题在于提供一种复合抛物面聚光器的光热联合建模方法，克服了 现有复合抛物面聚光器仿真设计不包含热力学建模及模型不能模拟评估热力学性能的不 足，实现了复合抛物面聚光器的各种设计在不同天气条件、光照条件、运行状况下的快速定 量模拟分析。
[0005] 本发明是通过以下技术方案来实现：
[0006] 复合抛物面聚光器的光热联合建模方法，包括以下操作：
[0007] 1)根据几何设计参数，生成包括反射器、真空玻璃管以及接收器在内的复合抛物 面聚光器的各部件横截面几何形状，从而获取复合抛物面聚光器的几何模型；
[0008] 2)根据太阳光照数据并结合复合抛物面聚光器安装表面的朝向与倾斜角度，计算 复合抛物面聚光器入射面上的直射光线和散射光线强度;然后根据所得强度生成一定数量 的光线，利用光线追踪方法进行光学仿真，计算得出复合抛物面聚光器各个部件表面由于 光照带来的热流分布；
[0009] 3)在复合抛物面聚光器的几何模型上划分网格，在每个网格上建立能量控制方 程，得到复合抛物面聚光器的热力学模型;结合天气数据和运行参数，将热流分布作为边界 条件加入复合抛物面聚光器的热力学模型，求解能量控制方程获取网格的平均温度，得到 复合抛物面聚光器的温度分布；
[0010] 4)根据复合抛物面聚光器的温度分布得到热源温度，并计算出包括有效收集并转 化的太阳能、运行效率在内的性能指标。
[0011] 所述的几何设计参数包括接收半角Θ。、几何聚光比CR、接收器半径ra、玻璃管外半 径&、玻璃管厚度t g、U型管半径rut、玻璃管与反射器的间距gap、聚光器槽向长度L;
[0012] 根据几何设计参数获取几何模型为：
[0013] 接收器由真空玻璃管包裹，两者为同心圆，接收器和真空管内外壁几何形状由公 式（1)、公式(2)、公式(3)给出;U型管焊接在接收器内壁上，横截面为圆形，水平方向焊接情 况下几何形状由公式(4)给出；
[0014]反射器的接收半角入射光线将其分为上下两部分，上部根据边缘光线原则由公式 (5)给出，下部为接收器圆形界面的渐开线由公式(6)给出，两部分连接处的公共点坐标由 公式(7)、公式(8)得出，通过求解微分方程(5)、微分方程(6)得出反射器的几何形状；
[0023] 所述几何聚光比为截取后的复合抛物面聚光器的聚光比，即为接收面面积与接收 器面积之比。
[0024] 所述的太阳光照数据包括太阳所在位置、直射光线强度和散射光线强度，结合复 合抛物面聚光器安装表面的朝向与倾斜角度获取复合抛物面聚光器入射面上的直射光线 和散射光线强度后，生成光线并利用光线追踪方法进行光学仿真，根据反射器、真空玻璃管 以及接收器的太阳光吸收率、反射率和透射率计算出各部件表面的太阳光照热流分布。
[0025] 所述在网格上建立的能量控制方程为：
[0026]
[0027] 为能量变化率，其中P为工质密度，h为工质焓值；▽ · (ρ???ι)为对流项，其中遂 为工质流速;▽ · 为导热扩散项，其中k为工质热导率，τ为网格平均温度;5。_为对流 传热项，包括工质与U型管、接收器与玻璃管、玻璃管与空气以及反射器与空气的对流换热， 受环境温度、环境风速、工质流量和其粘性的影响;Srad为热辐射换热项;Sscilar为太阳光照热 流分布；
[0028] 其中，环境温度、环境风速由天气数据提供;工质密度、工质焓值、工质流速、工质 热导率、工质流量和其粘性由运行参数提供;S SQlar由复合抛物面聚光器各部件表面的热流 分布提供，根据所提供的边界条件，用求解器求解离散化的能量控制方程，得出网格的平均 温度。
[0029] 根据复合抛物面聚光器的温度分布布得出反射器的工质U型管出口温度，即为复 合抛物面聚光器所提供的热源温度。
[0030] 所述的有效收集并转化的太阳能为工质在复合抛物面聚光器出入口的焓值差。
[0031] 所述的运行转化效率为有效收集并转化的太阳能与接受面上收到的总太阳辐射 能之比；其中，总太阳辐射能为直射与散射太阳辐射能之和。
[0032] 所能够计算的性能指标还包括:反射器在直射状态下反射率、真空玻璃管在直射 状态下透射率、真空玻璃管发生全内反射时的度数和接收器在直射状态下吸收率。
[0033] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0034] 本发明提供的复合抛物面聚光器的光热联合建模方法，在构建几何模型的基础 上，同时通过光学仿真构建复合抛物面聚光器各个部件表面由于光照带来的热流分布，并 作为边界条件进入热力学模型，从而实现光热联合建模;实现了复合抛物面聚光器的各种 设计在不同天气条件、光照条件、运行状况下的快速定量模拟分析，弥补了现有建模方法缺 少光热联合的不足，为复合抛物面聚光器提供了一种更加准确全面的建模方法，可以为复 合抛物面聚光器的设计提供更强大、更快速的仿真工具。
【附图说明】
[0035]图1为本发明的流程示意图。
[0036]图2为复合抛物面聚光器的几何参数及形状。
[0037]图3为30°入射角下光线追踪演示。
[0038] 图4为接收器上的来自太阳辐射的热流分布。
[0039] 图5为复合抛物面聚光器各表面网格剖分。
[0040] 图6为复合抛物面聚光器接收器温度分布。
[0041] 图7为复合抛物面聚光器真空玻璃管温度分布。
[0042] 图8为复合抛物面聚光器工质沿槽向方向温度分布。
【具体实施方式】
[0043] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而 不是限定。
[0044] 参见图1，复合抛物面聚光器的光热联合建模方法，包括以下操作：
[0045] 1)根据几何设计参数，生成包括反射器、真空玻璃管以及接收器在内的复合抛物 面聚光器的各部件横截面几何形状，从而获取复合抛物面聚光器的几何模型；
[0046] 2)根据太阳光照数据并结合复合抛物面聚光器安装表面的朝向与倾斜角度，计算 复合抛物面聚光器入射面上的直射光线和散射光线强度;然后根据所得强度生成一定数量 的光线，利用光线追踪方法进行光学仿真，计算得出复合抛物面聚光器各个部件表面由于 光照带来的热流分布；
[0047] 3)在复合抛物面聚光器的几何模型上划分网格，在每个网格上建立能量控制方 程，得到复合抛物面聚光器的热力学模型;然后将热流分布、天气数据和运行参数作为边界 条件加入复合抛物面聚光器的热力学模型，求解能量控制方程获取网格的平均温度，得到 复合抛物面聚光器的温度分布；
[0048] 4)根据复合抛物面聚光器的温度分布得到热源温度，并计算出包括有效收集并转 化的太阳能、运行效率在内的性能指标。
[0049] 具体的步骤1)中所述的几何设计参数包括接收半角Θ。、几何聚光比CR(为截取后 的复合抛物面聚光器的聚光比，即为接收面面积与接收器面积之比）、接收器半径r a、玻璃 管外半径&、玻璃管厚度tg、U型管半径rut、玻璃管与反射器的间距gap、聚光器槽向长度L;
[0050] 根据几何设计参数获取几何模型为：
[0051] 接收器由真空玻璃管包裹，两者为同心圆，接收器和真空管内外壁几何形状由公 式（1)、公式(2)、公式(3)给出;U型管焊接在接收器内壁上，横截面为圆形，水平方向焊接情 况下几何形状由公式(4)给出；
[0052]反射器的接收半角入射光线将其分为上下两部分，上部根据边缘光线原则由公式 (5)给出，下部为接收器圆形界面的渐开线由公式(6)给出，两部分连接处的公共点坐标由 公式(7)、公式(8)得出，通过求解微分方程(5)、微分方程(6)得出反射器的几何形状；
[0061]具体的步骤2)中所述的太阳光照数据包括太阳所在位置、直射光线强度和散射光 线强度，结合复合抛物面聚光器安装表面的朝向与倾斜角度获取复合抛物面聚光器入射面 上的直射光线和散射光线强度后，生成光线并利用光线追踪方法进行光学仿真，根据反射 器、真空玻璃管以及接收器的太阳光吸收率、反射率和透射率计算出各部件表面的太阳光 照热流分布。
[0062] 具体的步骤3)中所述在网格上建立的能量控制方程为：
[0063]
[0064] t为能量变化率，其中P为工质密度，h为工质焓值;▽· (/7??)为对流项，其中?: at 为工质流速;▽ '（fcVT)为导热扩散项，其中k为工质热导率，T为网格平均温度;为对流 传热项，包括工质与U型管、接收器与玻璃管、玻璃管与空气以及反射器与空气的对流换热， 受环境温度、环境风速、工质流量和其粘性的影响;S rad为热辐射换热项;Sscllar为太阳光照热 流分布；
[0065] 其中，环境温度、环境风速由天气数据提供;工质密度、工质焓值、工质流速、工质 热导率、工质流量和其粘性由运行参数提供;S SQlar由复合抛物面聚光器各部件表面的热流 分布提供，根据所提供的边界条件，用求解器求解离散化的能量控制方程，得出网格的平均 温度。
[0066] 具体的步骤4)中根据复合抛物面聚光器的温度分布布得出反射器的工质U型管出 口温度，即为复合抛物面聚光器所提供的热源温度。
[0067] 所述的有效收集并转化的太阳能为工质在复合抛物面聚光器出入口的焓值差。
[0068] 所述的运行转化效率为有效收集并转化的太阳能与接受面上收到的总太阳辐射 能之比；其中，总太阳辐射能为直射与散射太阳辐射能之和。
[0069]下面给出具体的实施例。
[0070] 实施例1
[0071 ]复合抛物面聚光器的光热联合建模方法，包括以下操作：
[0072] 1)几何模型构建：
[0073]选定一套几何参数，接收半角为60°，几何聚光比为1.1，接收器半径为0.05m，玻璃 管外半径为〇. 〇6m，玻璃管厚度为0.003m，U型管半径为0.01m，玻璃管与反射器的间距为 0.01m，聚光器槽向长度为2m。
[0074]将以上参数代入公式（7) (8)可计算出接收器上下两部分连接处的公共点坐标为 (±0.1472,-0.0273)。求解常微分方程(5)、微分方程(6)可得反射器横截面几何形状，求解 方程(1)至(4)可得接收器、真空玻璃管以及U型管横截面几何形状，如图2所示。
[0075] 2)热流分布：
[0076]确定太阳光照数据，根据复合抛物面聚光器安装参数(复合抛物面聚光器安装表 面倾角为30°、安装表面朝向为正南方向，即方位角为180° )计算出接收面上太阳光的入射 角度、直射光线强度、散射光线强度，假设分别为30°、800W/m2、200W/V。利用光线追踪算法 进行光学仿真，30°入射角的光线追踪演示如图3所示。根据反射器、真空玻璃管以及接收器 的太阳光吸收率、反射率和透射率可计算出各部件表面的太阳光照热流分布，接收器上来 自太阳辐射的热流分布如图4所示。
[0077] 3)温度分布：
[0078] 对图2所示的几何形体进行网格剖分，如图5所示。在每个网格上建立能量方程，给 定便边界条件:环境空气温度为25°C，环境风速为2m/s，工质U型管入口温度为150°C，工质 流量为0.035kg/s;U型管工质为油类、工质的密度在150°C为0.72kg/m 2、工质的导热率在 150°(：为0.131/111-1(、工质的比热在150°(：为2.531〇/1^-1(、工质的粘度在150°(：为8.55\10- 4kg/m_s〇
[0079] 利用求解器可解得各个网格的平均温度，结果如图6、图7、图8所示。
[0080] 4)根据温度分布计算以下性能指标：
[0081] 根据工质U型管出口温度（152.06°C)，可计算出单位面积复合抛物面聚光器所收 集并转化的热量为251.73W/m 2，运行热效率为25.1 %。
[0082]所述反射器在直射状态下反射率为86%、真空玻璃管在直射状态下透射率为 95.8 %、真空玻璃管在44°时发生全内反射、接收器在直射状态下吸收率为95.2 %。
[0083] 实施例2
[0084] 复合抛物面聚光器的光热联合建模方法，包括以下操作：
[0085] 1)选定一套几何参数，接收半角为80°，几何聚光比为1，接收器半径为0.05m，玻璃 管外半径为〇. 〇6m，玻璃管厚度为0.003m，U型管半径为0.01m，玻璃管与反射器的间距为 0.01m，聚光器槽向长度为2m。
[0086] 将以上参数代入公式(7)、公式(8)可计算出接收器上下两部分连接处的公共点坐 标为（±0.1649,0.0217)。求解常微分方程(5)、微分方程(6)可得反射器横截面几何形状， 求解方程(1)至(4)可得接收器、真空玻璃管以及U型管横截面几何形状。
[0087] 2)确定太阳光照数据，根据复合抛物面聚光器安装参数(所述复合抛物面聚光器 安装表面倾角为30°、安装表面朝向为正南方向，即方位角为180°)计算出接收面上太阳光 的入射角度、直射光线强度、散射光线强度，假设分别为60°、400W/m 2、200W/m2。利用光线追 踪算法进行光学仿真，根据反射器、真空玻璃管以及接收器的太阳光吸收率、反射率和透射 率可计算出各部件表面的太阳光照热流分布。
[0088] 3)对步骤1)计算的几何形体进行网格剖分，在每个网格上建立能量方程，给定便 边界条件:环境空气温度为25°C，环境风速为2m/s，工质U型管入口温度为120°C，工质流量 为0.035kg/s;工质为油类、工质的密度在120°C为0.74kg/m 2、工质的导热率在120°C为 0 · 13W/m-K、工质的比热在 120 °C 为2 · 43kJ/kg-K、工质的粘度在 120 °C 为 1 · 3 X 10-3kg/m-s。
[0089] 利用求解器可解得各个网格的平均温度。
[0090] 4)根据工质U行管出口温度（121.05°C)，可计算出单位面积复合抛物面聚光器所 收集的热量为142.88W/m 2，效率为23.8%。
[0091] 所述反射器在直射状态下反射率为86%、真空玻璃管在直射状态下透射率为 95.8 %、真空玻璃管在44°时发生全内反射、接收器在直射状态下吸收率为95.2 %。
[0092] 实施例3
[0093]复合抛物面聚光器的光热联合建模方法，包括以下操作：
[0094] 1)选定一套几何参数，接收半角为30°，几何聚光比为1.5，接收器半径为0.05m，玻 璃管外半径为0.06m，玻璃管厚度为0.003m，U型管半径为0.01m，玻璃管与反射器的间距为 0.01m，聚光器槽向长度为2m。
[0095] 将以上参数代入公式(7)、公式(8)可计算出接收器上下两部分连接处的公共点坐 标为（±0.1008，-0.0745)。求解常微分方程(5)、微分方程(6)可得反射器横截面几何形状， 求解方程(1)至(4)可得接收器、真空玻璃管以及U型管横截面几何形状。
[0096] 2)确定太阳光照数据，根据复合抛物面聚光器安装参数(所述复合抛物面聚光器 安装表面倾角为30°、安装表面朝向为正南方向，即方位角为180°)计算出接收面上太阳光 的入射角度、直射光线强度、散射光线强度，假设分别为10°、l〇〇〇W/m 2、100W/m2。利用光线追 踪算法进行光学仿真，根据反射器、真空玻璃管以及接收器的太阳光吸收率、反射率和透射 率可计算出各部件表面的太阳光照热流分布。
[0097] 3)对步骤1)计算的几何形体进行网格剖分，在每个网格上建立能量方程，给定便 边界条件:环境空气温度为25°C，环境风速为2m/s，工质U型管入口温度为180°C，工质流量 流量为〇.〇35kg/s;工质为油类、工质的密度在180°C为0.70kg/m 2、工质的导热率在180°C为 0 · 13W/m-K、工质的比热在 180 °C 为2 · 64kJ/kg-K、工质的粘度在 180°C 为 6.08X10-4kg/m-s。
[0098] 利用求解器可解得各个网格的平均温度。
[0099] 4)根据工质U行管出口温度（182.94°C)，可计算出单位面积复合抛物面聚光器所 收集的热量为288.51W/m2，效率为26.2%。
[0100]所述反射器在直射状态下反射率为86%、真空玻璃管在直射状态下透射率为 95.8 %、真空玻璃管在44°时发生全内反射、接收器在直射状态下吸收率为95.2 %。
[0101]以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域 的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本 发明的保护范围。
【主权项】
1. 复合抛物面聚光器的光热联合建模方法，其特征在于，包括以下操作： 1) 根据几何设计参数，生成包括反射器、真空玻璃管以及接收器在内的复合抛物面聚 光器的各部件横截面几何形状，从而获取复合抛物面聚光器的几何模型； 2) 根据太阳光照数据并结合复合抛物面聚光器安装表面的朝向与倾斜角度，计算复合 抛物面聚光器入射面上的直射光线和散射光线强度;然后根据所得强度生成一定数量的光 线，利用光线追踪方法进行光学仿真，计算得出复合抛物面聚光器各个部件表面由于光照 带来的热流分布； 3) 在复合抛物面聚光器的几何模型上划分网格，在每个网格上建立能量控制方程，得 到复合抛物面聚光器的热力学模型;结合天气数据、运行参数和热流分布，将其作为边界条 件加入复合抛物面聚光器的热力学模型，求解能量控制方程获取网格的平均温度，得到复 合抛物面聚光器的温度分布； 4) 根据复合抛物面聚光器的温度分布得到热源温度，并计算出包括有效收集并转化的 太阳能、运行效率在内的性能指标。2. 如权利要求1所述的复合抛物面聚光器的光热联合建模方法，其特征在于，所述的几 何设计参数包括接收半角Θ。、几何聚光比CR、接收器半径r a、玻璃管外半径^、玻璃管厚度 tg、U型管半径rut、玻璃管与反射器的间距gap、聚光器槽向长度L; 根据几何设计参数获取几何模型为： 接收器由真空玻璃管包裹，两者为同心圆，接收器和真空管内外壁几何形状由公式 (1)、公式(2)、公式(3)给出;U型管焊接在接收器内壁上，横截面为圆形，水平方向焊接情况 下几何形状由公式(4)给出； 反射器的接收半角入射光线将其分为上下两部分，上部根据边缘光线原则由公式(5) 给出，下部为接收器圆形界面的渐开线由公式(6)给出，两部分连接处的公共点坐标由公式 (7)、公式(8)得出，通过求解微分方程(5)、微分方程(6)得出反射器的几何形状；3. 如权利要求2所述的复合抛物面聚光器的光热联合建模方法，其特征在于，所述几何 聚光比为截取后的复合抛物面聚光器的聚光比，即为接收面面积与接收器面积之比。4. 如权利要求1所述的复合抛物面聚光器的光热联合建模方法，其特征在于，所述的太 阳光照数据包括太阳所在位置、直射光线强度和散射光线强度，结合复合抛物面聚光器安 装表面的朝向与倾斜角度获取复合抛物面聚光器入射面上的直射光线和散射光线强度后， 生成光线并利用光线追踪方法进行光学仿真，根据反射器、真空玻璃管以及接收器的太阳 光吸收率、反射率和透射率计算出各部件表面的太阳光照热流分布。5. 如权利要求1所述的复合抛物面聚光器的光热联合建模方法，其特征在于，所述在网 格上建立的能量控制方程为：(9) 为能量变化率，其中P为工质密度，h为工质焓值;为对流项，其中g为工 质流速;▽ · (_T)为导热扩散项，其中k为工质热导率，T为网格平均温度;S_v为对流传热 项，包括工质与U型管、接收器与玻璃管、玻璃管与空气以及反射器与空气的对流换热，受环 境温度、环境风速、工质流量和其粘性的影响;S rad为热辐射换热项;SsciIar为太阳光照热流分 布； 其中，环境温度、环境风速由天气数据提供;工质密度、工质焓值、工质流速、工质热导 率、工质流量和其粘性由运行参数提供;Sscilar由复合抛物面聚光器各部件表面的热流分布 提供，根据所提供的边界条件，用求解器求解离散化的能量控制方程，得出网格的平均温 度。6. 如权利要求1所述的复合抛物面聚光器的光热联合建模方法，其特征在于，根据复合 抛物面聚光器的温度分布布得出反射器的工质U型管出口温度，即为复合抛物面聚光器所 提供的热源温度。7. 如权利要求1所述的复合抛物面聚光器的光热联合建模方法，其特征在于，所述的有 效收集并转化的太阳能为工质在复合抛物面聚光器出入口的焓值差。8. 如权利要求1所述的复合抛物面聚光器的光热联合建模方法，其特征在于，所述的运 行转化效率为有效收集并转化的太阳能与接受面上收到的总太阳辐射能之比；其中，总太 阳辐射能为直射与散射太阳辐射能之和。9. 如权利要求1所述的复合抛物面聚光器的光热联合建模方法，其特征在于，所能够计 算的性能指标还包括:反射器在直射状态下反射率、真空玻璃管在直射状态下透射率、真空 玻璃管发生全内反射时的度数和接收器在直射状态下吸收率。
【文档编号】F24J2/12GK105890189SQ201610214146
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月7日
【发明人】许东灏, 史绍平, 穆严飞, 陈新明, 张波, 闫姝, 方芳
【申请人】中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司, 中国华能集团公司