透射與反射複合聚光轉輪式太陽能高溫集熱器研究

《透射與反射複合聚光轉輪式太陽能高溫集熱器研究》是依託北京理工大學，由鄭宏飛擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：透射與反射複合聚光轉輪式太陽能高溫集熱器研究
• 依託單位：北京理工大學
• 項目負責人：鄭宏飛
• 項目類別：聯合基金項目

項目摘要

本項目提出了一種透射與反射複合聚光轉輪式太陽能高溫集熱器，它將菲涅耳透射聚光與菲涅耳反射聚光結合在一起，並與真空管接收器等同置於一個轉筒內部，轉筒內部設定有高效的二次聚光器。它利用透射與反射複合聚光原理將太陽光匯集到超長真空吸熱管上，實現太陽能高溫集熱；部分未入射到真空管上的太陽光經二次聚光器再濃縮，最終也匯集到真空管上產生熱能。該集熱器具有易於產生250-450℃左右的高溫熱能、成本相對低廉、跟蹤精度要求低、抗風能力強和易於控制等優點。本項目將從理論和實驗兩方面入手對該新型太陽能聚光集熱系統展開深入研究：研究系統的能量傳遞及利用過程機理，特別是高密度光能在裝置中、接收器上的能量轉化與傳遞過程、光能輸入與輸出的關係；研究系統各部件之間的協調和匹配。為建立完整、高效及相對廉價的透射與反射複合聚光轉輪式太陽能高溫集熱系統提供基礎參數與理論支持。

結題摘要

本項目從多元聚光的概念出發，提出了透射與反射複合聚光方式，並將這一聚光過程集成於一個具有二次聚光器的轉輪系統中，得到了一種跟蹤精度要求低、跟蹤功耗少、抗風能力強和易於控制等優點的新型太陽能中高溫集熱系統。對這一聚光集熱過程的一系列基礎問題展開了深入的理論和實驗研究。設計了高效太陽能聚光器、二次聚光器、跟蹤系統及高密度光能接收器實驗台，對系統各主要部件進行了測試與研究，提出新概念，對太陽能高效聚光器、聚光集熱系統和直流式高溫接收器等進行了創新設計和計算機仿真模擬。提出了線性聚光曲面菲涅爾透鏡的節點虛交約束設計方法。針對圓柱面菲涅耳透鏡，得到了曲面菲涅耳透鏡的三圓線創新設計方法。分析了菲聶耳透鏡的光學性能和聚光效率影響的因素，研究了邊沿效應、表面反射率等因素對總透過率的影響。對該聚光系統進行了光學仿真，驗證了理論計算結果。從而建立了基於最大透過率的二維曲面透射聚光器的光學理論。設計建造了三元聚光轉輪式太陽能中溫集熱器的實驗台，對直徑為1米的三元聚光轉輪式太陽能集熱器的集熱性能進行了實驗研究。設計了寬0.69米，長1.06米的工業化注朔成型的線性菲涅爾太陽能聚光透鏡，並委託公司進行了成型製造，得到了工業化生產的線性菲涅爾聚光透鏡。建造了由多個聚光單元組成的整體轉輪式聚光系統，對該系統進行了實驗測試，證明此類系統一樣獲得太陽能高溫熱能。利用聚光太陽能電池作為光伏發電原件，冷卻系統作為太陽能的熱接收元件，對系統進行了光伏光熱系統實驗，對發電功率隨當地時間特別是隨太陽輻照度的變化進行了測試。改進了二次反射聚光的方式，使得系統總效率得到大幅提高，為三元聚光理論指出了另一個有前景的方向。建立了多套基於圓柱面菲涅耳透鏡聚光的中溫太陽能集熱示範系統，並在工農業生產中得到利用，系統最大聚光面積40平方米，聚光總能量達到15kW以上，高溫接收器內溫度達250℃以上，實現系統聚光集熱效率大於35%。證明本項研究是可行的和可靠的。通過本項目研究，圓滿完成了項目設定的研究內容，發表研究論文27篇（SCI14篇；EI6篇；ISTP2篇），獲得授權發明專利7項，申請發明專利4項。培養博士研究生3名，碩士研究生3名。