弗雷內爾集熱器是指利用菲涅爾透鏡使太陽輻射聚集到接收器上的聚光集熱器。
集熱器所用的平面反射鏡能夠每天隨太陽角度變化而相應的自動變化，從而最大限度的集熱或者發電，通過採用各類型不同的跟蹤方式以及更為精確的追日算法，能夠有效的減小跟蹤誤差所帶來的光學效率損失，從而更大程度的充分利用太陽能。
基本介紹
- 中文名：弗雷內爾集熱器
- 外文名：Frey Neil collector
- 特點：太陽能利用率高
- 組成：反射鏡面組、吸收器和支撐結構
- 性能分析：集熱器設計、光學性能
- 前景：廣闊
研究背景,套用現狀,系統組成,性能分析,蓄熱模式,
研究背景
人類社會的進步和演化始終伴隨著使用能源的變革，從19世紀70年代的產業革命以來，化石燃料的消費急劇增長。當前石油、煤炭、天然氣等化石能源仍然是主導性能源。全球化石能源儲量探明增長有限，但需求增長強勁，供需矛盾日益突出。根據預測，以目前的生產水平，石油、天然氣等化石燃料價格將節節攀升，新能源的發展需擔當大任，支持未來世界動力永續。自工業革命以來，化石能源的大量消費導致全球溫室氣體濃度不斷增加，並日益逼近限值。在現有政策框架體系下如不採取更為嚴厲的碳減排措施，2030年，全球與能源有關的二氧化碳排放量將達到400億噸。溫室氣體大量排放的導致氣候劇變將會對地球文明造成嚴重威脅。
發展新能源已成為全球應對能源挑戰和氣候變化，實現經濟轉型和強勢政治的共識。各國政府積極行動，出台了一系列鼓勵新能源的政策和措施，新能源在未來將會得到迅速的發展。
太陽能熱利用分為低溫（40-80℃）、中溫（80-350℃）和高溫（350-800℃）三類，分別主要套用於生活用熱、工業用熱和太陽能熱發電領域。我國目前在太陽能低溫套用(太陽能熱水器)方面取得了巨大的成功，但對太陽能中溫供熱、製冷的研究還很少，廣大工業過程亟需環保、價廉的太陽能中高溫熱源。
套用現狀
常用的太陽能聚光方式主要有四種形式:槽式、塔式、碟式和弗雷內爾式四種。前三種方式因為能量轉換的利用率高，主要用於太陽能熱發電，而弗雷內爾式雖然聚光比沒有前三種方式高，但其主要優勢體現為：
（1）系統結構簡單，建設和維護成本較低；
(2)使用固定的吸熱器，可以避免因吸熱器隨聚光裝置跟蹤運動而帶來的高溫高壓的管路密封與連線問題；
(3)使用廉價的平面或可彈性彎曲的反射鏡代替昂貴的拋物型反射鏡，製造安裝更為簡單；
(4)由於反射鏡近地安裝，大大減少風阻，對基礎結構的要求也大為減少；
(5)若每一個反射陣列採用單獨跟蹤控制，可方便清洗、冰雹保護、光學控制；
(6)孔徑朝下的腔式吸熱裝置便於獲得直接蒸汽發電（DSG）。因此，弗雷內爾集熱器不僅可以產生高溫高壓用於熱發電，也廣泛用於酒店、採暖、太陽能空調、紡織、造紙、海水淡化處理、烘乾等各種需要熱水和熱蒸汽的中溫場合。
國外開展弗雷內爾技術的研究及套用較早，主要用於太陽能熱發電，如2008年10月，AREVA太陽能公司在加利福尼亞州的貝克斯菲爾德完成了美國第一個商業化的弗雷內爾系統，該系統能產生25MWt的熱能，驅動鄰近電廠的蒸汽輪機產生5MW的電力。2009年3月德國NOVATEC BIOSOL公司在西班牙建成了一座1.4MW的商業化弗雷內爾太陽能發電站PE1，蒸汽溫度270℃、壓力為55bar，並直接推動汽輪機發電。相比而言，我國開展這方面的研究起步較晚，絕大多數科研院所還處於收集試驗數據階段，依舊停留在實驗示範的水平。目前，皇明公司已在山東德州建立了2.5MW的示範工程，利用弗雷內爾反射聚光鏡場的直接蒸汽生成技術，實現太陽能熱發電、空調製冷以及工業用熱的一體化設計。
太陽能集熱的聚光裝置一般都安裝一套跟蹤控制系統，使得聚光的設備，塔式太陽能熱發電中所用的定日鏡、弗雷內爾式中所用的平面反射鏡能夠每天隨太陽角度變化而相應的自動變化，從而最大限度的集熱或者發電，通過採用各類型不同的跟蹤方式以及更為精確的追日算法，能夠有效的減小跟蹤誤差所帶來的光學效率損失，從而更大程度的充分利用太陽能。He等人利用蒙特卡羅追跡法，通過改變弗雷內爾反射鏡鏡面寬度來來研究其對集熱陣列光學性能的影響。Dai等人提出了一種新的弗雷內爾集熱器跟蹤控制策略，傳統的線聚焦弗雷內爾集熱器按照一維跟蹤的方式進行，新的跟蹤策略採用兩維跟蹤的方式，吸收器與反射陣列同時移動，儘可能達到光線的垂直入射，對光學效率的提升有很大作用，但同時跟蹤系統成本也大幅提高。Abbas等人採用基於兩種特殊的反射鏡形式的線性弗雷內爾聚光鏡場進行研究，在理論研究基礎上，提出了一種新的腔體吸收器，該腔體吸收器由管束直接成型，通過實驗和理論分析得到該類型腔體吸收器在大大降低生產成本的同時能夠做到全天可靠、高效的吸收太陽能熱量。
Singh等人研究了基於直通式的金屬圓管，在表面塗以吸收塗層的方式的吸收器形式，隨著反射鏡數量的增加，弗雷內爾集熱系統熱效率依次降低，並研究了基於梯形結構腔體吸收器的線性弗雷內爾反射鏡太陽能集熱器，該類型腔體吸收器在高溫套用中熱損失較大，較適宜套用於中低溫太陽能供熱製冷套用中。同時通過實驗表面管束型的腔體吸收器可獲得更高的集熱效率。林蒙線上聚焦弗雷內爾反射式太陽能集熱器的基礎上，提出了點聚焦二次反射太陽能聚光系統，並提出了點聚焦塔式集熱器的設計流程，利用光線追蹤法，對弗雷內爾線聚焦和點聚焦反射式太陽能集熱器進行光學性能分析，研究跟蹤策略、入射角、吸收器形式等因素對兩種弗雷內爾反射式太陽能集熱器光學性能的影響。利用CCD相機和圖像處理技術對焦面處光斑能流密度分布進行測量。謝文韜]對採用腔體吸收器的聚光太陽能光熱轉換過程進行熱力學分析，對太陽能光熱轉換模型進行修正，得出基於熱力學第二定律光熱轉換效率的完整表達式。設計加工八種不同形狀的點聚焦腔體吸收器和八種不同形狀的線聚焦腔體結構吸收器，結合弗雷內爾透鏡和弗雷內爾反射鏡對其光學性能和熱性能進行理論與實驗研究，得到最優的點聚焦和線聚焦腔體結構形式。
Bermejo等人建立了一個線性弗雷內爾反射鏡太陽能集熱器驅動的雙效吸收式空調系統，製冷量為180kW，日平均集熱效率為35%，最高集熱效率為40%，制冷機日平均約為COP1.1，當套用地區全年太陽能保證率達到0.75時，基於獲得的太陽能集熱量計算得到的COP可達到0.44。此外，Chemisana等人研究了基於線聚焦的中溫太陽能空調系統，所產生的太陽能熱量作為熱源供給雙效溴化鋰吸收式制冷機，並通過與基於真空管集熱器的單效溴化鋰吸收式製冷系統進行對比，指出弗雷內爾集熱式太陽能空調系統的優勢與不足。
系統組成
弗雷內爾太陽能集熱器單元主要由反射鏡面組、吸收器（腔）和支撐結構三大部分組成。反射鏡面組由多塊帶有一定曲率半徑的微弧形鏡面組成。這些鏡面可以根據太陽跟蹤系統發出的指令，在統一的動作機構操作下自動跟隨太陽的偏轉，時刻保證將太陽輻照反射至吸收器（腔）內的集熱管上。並且根據鏡面所在集熱器單元位置和角度的不同，為了更好的提高太陽能的反射率，其曲率半徑也會有略微的差別。
吸收器（腔）的主要功能在於最大程度上吸收由反射鏡面組反射的太陽直射輻射，在其內部是由三根並行連線的塗敷有選擇性塗層的金屬集熱管組成。這樣設計的目的是為了在增加吸收管的吸收面積的同時降低由於管路連線過長導致的沿程阻力的增大。
由於弗雷內爾太陽能集熱器其自身的結構特點，所以其支持結構可以設計的較為輕便簡單，這也在成本造價方面降低了很多。
性能分析
集熱器設計
線聚焦弗雷內爾集熱器通過其反射鏡陣列將光線全部反射到吸收其中，並隨太陽位置的變化，反射鏡陣列同時進行相應運動。
線聚焦弗雷內爾反射式太陽能集熱器的反射鏡設計有兩種不同的方法，反射陣列鏡面設計可以按照等寬度設計，也可按照寬度變化的反射鏡陣列來進行設計。通過設計寬度、間距變化的反射鏡陣列，可有效實現吸收器焦面上能流密度均勻分布，吸收器內載熱流體的傳熱性能將得到大幅度的提升，但同時由於每一列的鏡片寬度均不同，給設計和製造帶來了較大的困難，造成此種設計方式成本較高。本文選用等寬度反射鏡陣列設計方法來進行設計，同時由於工業生產要求，反射鏡寬度較大而吸收器的開口寬度一般較小，易發生光斑寬度大於吸收器口徑，造成光學效率的損失。根據Jorge Facao的研究，其採用具有微小弧度的柱面鏡，具有良好的聚焦效果，本文中反射鏡全部選用輕質的室外鋁材質，具有非常強的型面可塑性，實現設計要求的鏡面的微小弧度在工藝上非常簡易方便。所以採用了等寬度的柱面鏡設計，在降低工藝要求和加工難度的同時，實現了太陽能的良好聚焦。具體設計流程如下：
鏡場分布設計基於如下假設：
（1）跟蹤系統精度高，能夠根據追日算法精確追蹤，不考慮由於控制系統原因帶來的誤差。
（2）太陽光到達鏡面光線認為是直射光線，在反射鏡陣列發生鏡面反射。 下圖給出了典型的線聚焦弗雷內爾經常設計示意圖，當太陽光線垂直入射到反射陣列時，在反射鏡中發生鏡面發射，通過鏡面反射，根據幾何光學的原理，通過計算角度和距離使其焦點位於吸收器的吸收管中心處，由於吸收器的吸收管中心位置已給定，根據幾何光學原理的對稱性即可計算出不同位置的反射鏡所應具有的鏡面傾角了，確定各列反射鏡傾角後，需進一步確定各列反射鏡之間的間距以防各列反射鏡相互之間造成互相遮擋，影響光學效率，令光線經過一列反射鏡反射的光線通過相鄰反射鏡邊緣點，此時相鄰兩反射鏡間的間距即為反射鏡陣列的臨界間距，在集熱陣列的實際設計中，間距不得小於此數值，否則將出現光線的相互遮擋。
光學性能分析
弗雷內爾集熱器的光學效率是太陽能集熱鏡場設計中最為重要的物理參數，其受到很多因素的影響，包括弧形反射鏡材料的反射性質，腔體吸收器表面塗層的吸收性質，太陽位置的逐時變化會造成光學效率的餘弦損失，同時由於太陽高度角較低時，會引起集熱器的末端損失，弗雷內爾集熱陣列的光學損失在整個過程中的能量損失中占比很大。
1、純光學效率
集熱器的純光學效率是指不考慮太陽位置引起的餘弦損失，由於太陽高度角造成的末端損失，跟蹤誤差引起的追日偏差的光學效率，其直接反映了鏡場反射材料、吸收器表面塗層，聚光性能的優劣。下表為模擬中採用的光學特性參數。
裝置構件 | 參數 | |
腔體吸收器（高溫吸熱黑漆） | 吸收率 | 0.85 |
反射率 | 0.15 | |
反射鏡面（熱彎高反射鋁） | 吸收率 | 0.1 |
反射率 | 0.9 | |
純光學效率定義為：
η0=
式中：
Qu——吸收器吸收的熱量；
Ib——太陽直射輻射量；
Ac——反射鏡總面積。
2、集熱器光學效率
線上性弗雷內爾聚光系統中，為將太陽光反射到固定目標上，反射鏡表面不可能與入射光線垂直，會產生一定的角度(θ)。餘弦損失就是由於這種傾斜所導致的反射鏡表面面積相對於太陽光可見面積的減少而產生的，餘弦損失後的剩餘能量與入射能量之比為cosθ，餘弦損失為1-cosθ。
陰影損失發生在當反射鏡的反射面處於相鄰一個或多個反射鏡的陰影下，而不能接收到太陽輻射能的情況。當太陽入射光線與水平面的夾角越小時，此損失較嚴重。吸熱器或其他物體的遮擋也可能對系統造成一定的陰影損失。考慮陰影損失後的剩餘能量占入射能量的百分比稱為陰影效率。
當反射鏡雖未處於陰影區下，但其反射的太陽輻射能因相鄰反射鏡背面的遮擋而不能被吸熱器接收所造成的損失稱為遮擋損失。考慮遮擋損失後的剩餘能量占入射能量的百分比稱為遮擋效率。
腔體吸收器熱性能分析
腔體吸收器的熱量損失對於整個弗雷內爾集熱陣列的集熱效率具有重要的影響，為了分析系統中方形腔體吸收器的熱損機理，通過建立二維模型，分析了導熱、自然對流、輻射等傳熱方式的耦合作用，得到腔體吸收器在不同的工作溫度下的總熱損及熱損係數，並對熱損的組成部分進行了分析，並分析其隨著工作溫度變化的變化情況，確定影響熱損的主要因素，通過模擬分析得到減小熱損的方法和建議。
方形腔體吸收器的格線模型如下圖所示，為了簡化模型的物理結構，3根不鏽鋼管管束用3個半圓弧來表征，不鏽鋼管束被絕熱材料包裹良好以最大程度減少熱損；為模擬腔體吸收器在大空間的實際發生自然對流作用下的熱損工況，利用正方形大空間表征腔體吸收器所處大空間，大空間邊長為1.5m，大空間中空氣處於自然對流狀態，且空氣可自由流動。
蓄熱模式
1、太陽能蓄熱模式
當白天日照充足，而空調水子系統無需開機工作時，太陽能集熱器所吸收的太陽能將直接供給蓄熱熔鹽罐以達到蓄熱儲熱的目的。此時，板換和電加熱油槽被旁通，空調水子系統也處於關機或是斷開狀態。
此時，電磁閥MV1、MV2、MV4和MV5處於斷電通路狀態，而其餘電磁閥處於通電斷路狀態；導熱油循環泵P1和P2均處於工作狀態；熔鹽蓄熱罐處於儲熱狀態。油路循環如右圖所示。
2、太陽能分流蓄熱模式
當白天日照充足，系統在太陽能直驅模式的基礎上運行，此時線菲太陽能集熱器的集熱量和集熱溫度過高，在驅動系統正常運行的前提下仍有餘量。雖然這樣的狀態出現在一天的時間段內較短，但是為了更好的利用太陽能和防止系統溫度過高導致系統某些部件存在安全隱患，此時可以將部分太陽能集熱量分流至熔鹽蓄熱罐內。
此時，電磁閥MV1、MV2、MV4、MV5和MV6處於斷電通路狀態，而其餘電磁閥處於通電斷路狀態；導熱油循環泵P1和P2均處於工作狀態；熔鹽蓄熱罐處於儲熱狀態。油路循環如右圖所示。
3、電蓄熱
在晚間10:00至第二天早上6:00的時間段內，為了充分利用“峰谷電”的電價優惠政策，系統可以在此時間段開啟電加熱裝置，將電能轉換為熱能儲存在熔鹽蓄熱罐中。此時，線菲太陽能集熱器和板換均被旁通，導熱油僅在緩衝油槽和蓄熱熔鹽罐之間流動。此時，電磁閥MV3、MV5和MV7處於斷電通路狀態，而其餘電磁閥處於通電斷路狀態；導熱油循環泵P1和P2均處於工作狀態；電加熱裝置開啟；熔鹽蓄熱罐處於儲熱狀態。油路循環如右圖所示。
