241-一种瓦片式太阳能聚集器设计及性能研究.pdfVIP

一种瓦片式太阳能聚集器设计及性能研究 张慈枝，侯根富，戴贵龙，叶靖 福建工程学院生态环境与城市建设学院，福建福州 摘 要：针对屋顶具有较大的太阳光收集面积的特性，设计一种兼顾太阳能收集、雨水 排泄、抑制屋顶冷负荷的瓦片式太阳能非跟踪聚集器。通过几何光路分析，设计获得了该聚 集器的结构参数、太阳能聚集性能及其影响因素。为低成本高效太阳能热利用与绿色建筑技 术发展提供技术支持。 关键词：太阳能热利用；瓦片式聚集器；光路分析；聚光性能；绿色建筑 0 前言 [1] 建筑能耗 包括生活热能能耗和空调能耗，生活热能生产多数消耗高品位如电能，空调 制冷不仅消耗电能，而且能耗增大尤为受屋顶吸收太阳光辐射传递到屋内的影响。为了减少 高品位消耗，同时降低空调制冷能耗，在屋顶设置太阳能集热器，是降低建筑能耗的重要手 段[2] 。 目前，太阳能集热器分非聚光和聚光两大类，聚光型的太阳能聚集器[3,4]主要包括槽式、 碟式、CPC 等，其结构设计没有与屋顶结构、功能有机结合，导致热装置设计安装成本高， 运行稳定性较差。屋顶不仅吸收太阳辐射影响建筑能耗，还承担排泄雨水的功能。因此，本 文提出设计一种瓦片式太阳能聚集器，可以实现低角度太阳能利用，充分利用屋顶面积收集 太阳能，反射聚集抑制屋顶吸收太阳热能，降低顶层房屋的空调能耗，也能承担排泄雨水功 能，为建筑节能和新能源开发利用具有重要的意义。 1 瓦片式抛物面聚集器设计分析 1.1 聚集器面型设计 太阳能聚集器面型有多种形式，如抛物面、球面、轮胎面、复合抛物面等。新型瓦片式 聚集器的反光板型线由常规抛物面发展设计得到，如图1 所示。在直角坐标系xoy 中，抛物 线方程为x 2 4fy ，焦距为 ，焦点为P ，M 点与P 点距离为 ，从焦点M 沿x 轴方向作 f r 一直线，与抛物线相交于点A 、B ，作线段MA 、MB 的垂直平分线，使之与抛物线相交于 点C、D ，抛物弧线AC 、BD 分别关于垂直平分线对称，形成抛物弧线MC 、MD 。抛物弧 线AC 即是单块反光板曲面的型线。 图1 瓦片式太阳能聚集器的型线 张慈枝（1994.04- ），女，福建莆田人，硕士研究生。研究方向：暖通燃气、太阳能热利用。地址：福州市 闽侯县上街镇大学新区学园路3 号，350118，手机Email ：826251362@。 1.2 聚光集热器结构方案 非跟踪瓦片式抛物面聚光集热器主要包括瓦片式太阳能聚集器和玻璃真空集热管等组 成，聚光集热系统方案如图2 所示。其中，瓦片式聚集器由数个抛物弧形反光板构成，单个 反光板曲面（AC 弧线）的凹面为正面，凸面为背面，经过竖直轴对称形成两两上下相连， 在上相连的部位设置真空管集热管，形成一个吸热单元。多个吸热单元之间由发光板下相连 组合，构成一个与屋顶波浪形瓦片结构相似的太阳能聚集器。 图2 一种瓦片式聚光集热器结构示意图 新型聚集器类似“瓦片式”结构与建筑一体化，可以覆盖于房顶，充分利用屋顶的太阳 能收集面积，集热系统功率大。聚集反光板将正对的入射太阳光束聚集到集热管上，提高光 热转换效率，当太阳高度角比较低时，由于集热管设置在反光板的顶部，所以仍可以直接利 用投射的太阳辐射能，装置实现了高效、非跟踪运行。同时，减少屋顶吸收太阳热能，降低 了顶层房屋的空调能耗，相邻凹面状的瓦片式反光板不仅可以汇聚太阳光，还能承担排泄雨 水功能，装置的实用、适应性好。 聚集器 2 几何特性分析 2.1 基本方程 如图1 的坐标系中，以单块反光板BD 为研究对象，真空管圆心与焦点P 重合，半径为 PM= r ，不难得B 点的纵坐标y B f −r ，代入得横坐标xB 2 f(f −r) ，同时可求得D 点横、纵坐标xD f(f −r) 、y D (f −r) 4 ，抛物弧线BD 的方程为： 2 x y x x