槽式集热器光学效率的方差分析研究

槽式集热器光学效率的方差分析研究

许祥成1韩雪2冯文泽2

（1内蒙古岱海发电有限责任公司内蒙古乌兰察布市013700；2内蒙古京泰发电有限责任公司内蒙古鄂尔多斯市010300）

摘要：为了对槽式腔体式太阳能集热器的聚光性能有较为完善地分析，本文利用Tracepro软件对圆形腔体的开口宽度、腔体外径、直接太阳辐照度、抛物面反射率、抛物面与吸热面距离和吸热面吸收率六个方面进行了数值模拟研究，采用方差分析法，结果表明开口宽度、抛物面反射率、抛物面与吸热面距离和吸热面吸收率对光学效率的影响程度高度显著，直接太阳辐照度影响程度较小，腔体外径影响甚微。

关键词：槽式腔体式太阳能集热器；腔体集热器；数值模拟；光学效率；正交分析法；直观分析；方差分析

0引言

在能源大力需求的今天，火力发电已接近饱和状态。据不完全统计，我国的煤炭利用占总能源的70.3%[1],然而煤炭属于不可再生能源，可利用的煤炭越来越少。因此，我们需要对其他各种形式的能源进行研究和利用。目前比较成熟的技术有太阳能、风能发电、潮汐能发电和地热发电等。其中，太阳能发电技术因其建设成本少、环境要求低、余热还可以进行其他利用等优点而广泛受到了人们的认可。当前被大规模投入生产发电的有槽式发电系统和塔式发电系统，而槽式发电系统因其建设容易，同时利用槽式太阳能反射装置代替太阳能光伏电池板可以大大降低投资成本，成为大规模生产发电的一种极好的选择。

槽式腔体式太阳能集热器主要是由聚光器、跟踪装置和吸热器组成，如图1所示。

图1槽式太阳能集热装置

1数学模型与尺寸

本文所采用的聚光面形状为标准抛物面，符合抛物面方程，其中焦距f为454.89mm，深度为309.14mm，开口宽度为1500mm，厚度为2mm，长度为1500mm；本文所使用的腔体形状统一为圆形，长度为1500mm，厚度为2mm，如图2所示，其中m为开口宽度，D为直径。

图2槽式集热器抛物面和圆形腔体结构图（单位：mm）

2数值模拟过程与分析

Tracepro软件主要是一款通过使用蒙特卡洛光线追踪法对光线数目来进行概率统计的数值模拟软件。本文利用该软件模拟太阳光线直接照射到抛物反光面上，经过反射、漫反射和聚焦，吸热器所收集到的光线的分析过程。其中，假设光线均匀垂直入射到抛物面表面。

模拟过程包括：（1）在DM软件中建立聚光器和吸热器的模型，而后将该模型导入Tracepro软件，如图3所示；（2）在Tracepro软件中对聚光器和吸热器的材料属性进行设置；（3）设置光线，本文采用格点光源，格点范围为矩形，Y半高为750mm，Y半宽为750mm。格点图形设置为圆形，环数为200，光线数目为76023。格点定向为方向向量；（4）光线追踪，如图3所示；（5）根据追踪出来的结果在Origin软件里面进行统计分析。

图3腔体式集热器光线追踪图

本文主要通过设定不同的条件对光学效率和总光通量进行统计。

光学效率是指工质吸收的太阳辐射能量与太阳总辐射强度的比值。

通过方差分析可知，开口宽度、抛物面反射率、抛物面与吸热面距离和吸热面吸收率对光学效率的影响程度高度显著，直接太阳辐照度影响程度较小，腔体外径影响甚微。

参考文献：

[1]张鹤飞.太阳能热利用原理与计算机模拟[M].西安：西北工业大学出版社，2004.

[2]潘丽君，陈锦权.实验设计与数据处理[M].江苏：东南大学出版社，2008.