太阳能是清洁环保和分布广泛的可再生能源，开发利用太阳能资源是我国实现能源结构升级并助力“碳达峰、碳中和”目标的重要途径之一。聚光器是太阳能聚光高品位光热利用中不可或缺的光学装置，它能将低密度太阳光能聚集到较小面积的接收器上形成高密度能量，从而提升系统能量转换效率。碟式太阳能聚光系统（SDC系统）具有高聚光比和高光学效率的优点，是实现太阳能光热高品位利用（例如光热发电和高温制氢等）的重要途径之一。但是传统抛物碟式聚光器是一个典型的点聚焦光学装置，它会在接收器表面形成极不均匀且高峰值的太阳辐射能流分布，给接收器的安全高效服役运行带来更加严峻的挑战。因此，改善碟式聚光系统中接收器的能流均匀性尤为重要。
湖南科技大学机电工程学院颜健副教授一直从事太阳能聚光系统创新设计与能流分布保持等方面的工作，他们团队从接收器和聚光器创新角度开展了碟式聚光系统能流均匀化系列工作，这些工作对太阳能聚光器创新设计与开发具有很好的启发。
1 曲面石英窗改善腔体接收器能流均匀性
他们团队充分利用光学凹形透镜中功能曲面对光线传输的重新分配能力，提出在腔体接收器前端安装凹形石英窗（凹透镜）去改善碟式聚光系统中腔体接收器的能流均匀性[1]。通过联合光线跟踪方法和遗传算法去优化凹透镜的几何尺寸和安装位置，对比了四种典型的二次曲面和三种曲面布置方式组合的12种凹透镜形式，获得了实现SDC系统腔体接收器能流均匀分布的最佳参数。在光学误差可控范围内，带优化凹透镜SDC系统的光学性能对镜面斜率误差和跟踪误差并不敏感，具有较好的工程适应能力[2]。在实际工程中可采用凹透镜改善传统SDC系统的能流均匀性，以及减少辐射热损失和对流热损失，是一个既经济且可操作的有效途径，展示了石英窗在聚光系统中的多重价值。
图1 带凹透镜的太阳能碟式接收器系统示意图
图2 优化前后SDC系统圆柱吸热器表面的聚光比分布
(a)带平面透镜，(b)带优化的平-凹圆锥透镜，(c)带优化的双凹圆锥透镜
2 多边形腔体改善平面接收器能流均匀性
他们团队提出一种简单的三角形腔体接收器并应用到碟式聚光系统中，可以实现腔体接收器底部的平面吸热器获得均匀的能流分布，避免了复杂腔体的几何优化与设计制造[3]。基于蒙特卡洛光线跟踪方法研究了三角形腔体接收的截面尺寸、腔体高度、腔体侧壁面的反射特征(镜面反射或漫反射)和反射率等对腔体接收器的光学效率、吸热器表面的能流均匀性和吸热器表面的总太阳辐射能量的影响(共98组算例)。系统揭示了碟式/三角形腔体接收器系统的光学特性，为其设计与优化提供依据，也为平面吸热器能流均匀化提供了一种新的解决途径，可应用于碟式聚光集热和碟式聚光光伏领域。
图3 太阳能碟式聚光器/三角形腔体接收器系统的示意图
图4 三角形截面的不同裁剪尺寸下平面接收器表面能流分布
3 抛物碟式聚光器面重置改善腔体接收器能流均匀性
传统抛物碟式聚光器是由许多镜面单元组装而成，它具备多点瞄准实现能流均匀化的物理基础，即通过优化各镜面单元的空间位姿去实现聚焦光斑的合理分配，进而达到腔体接收器能流均匀化的目的。基于此，他团队们提出了一种抛物碟式聚光器的镜面重新布置策略及其优化方法，用于提升腔体接收器内吸热器表面的辐射能流均匀性[4-5]。镜面重新布置策略包括镜面旋转和镜面平移两种途径，分别是将抛物碟式聚光器中各镜面单元进行旋转和沿焦轴平移。为了减少优化过程中吸热器表面能流分布模拟的计算耗时，基于理想光学条件下太阳能聚光器/接收器系统的几何轴对称性，根据之前提出的一种运动累加光线跟踪方法(Motion accumulative ray tracing method，MART)，开发了MART方法与遗传算法联合的优化算法，用于优化抛物碟式聚光器的镜面重新布置参数(旋转角或平移距离)去实现吸热器表面的能流均匀化。以典型的圆柱形和圆锥形腔体接收器为例，分析了镜面重新布置策略及其优化方法的有效性，并研究了抛物碟式聚光器的焦距和镜面划分数量对能流均匀化效果的影响。
图5 碟式聚光器的镜面重新布置示意
(a)镜面单元的旋转策略和(b)镜面单元平移策略
图6 对于圆柱腔体接收器时采用镜面平移策略的优化结果
图7 对于球形接收器时采用镜面平移策略的优化结果
4 新型母线碟式聚光器改善腔体接收器能流均匀性
基于镜面旋转策略，他们团队进一步提出了一种新颖的分立式碟式聚光器(DSDC)用于提升腔体接收器内吸热器表面的辐射能流均匀性[6]。DSDC反射镜曲面的生成很简单，就是将理想抛物母线划分成若干段，每段抛物母线绕其一端点旋转一定角度，再将各母线绕原焦轴旋转一周形成新型反射镜曲面。基于MART方法建立了DSDC系统的光学分析模型，并联合遗传算法去优化DSDC中各段母线的旋转角度，从而实现吸热器表面的能流均匀化。以圆柱形腔体接收器为例验证了DSDC及其优化方法的有效性，并讨论了DSDC系统在太阳能聚光光伏、温差发电和聚光热利用等领域的应用潜力。
图8 (a)理想抛物碟式聚光器和新型碟式聚光器的光线传输示意图 (b)新型碟式聚光系统的示意图
图9 优化新型碟式聚光系统的光线传输和圆柱壁面局部聚光比分布
图10 SDC系统和优化的DSDC系统中圆柱腔体内金属管表面的能流分布
(a)带竖直管的圆柱腔体接收器，(b)和(c)分别为SDCR系统和优化的DSDC系统中竖直管表面的能流分布
5 相面镜面单元阵列的低成本碟式聚光器改善平面接收器能流均匀性
最近，他们团队为了降低聚光器反射镜面的制造和物料管理成本，研究了一种采用相同尺寸正方形的平面镜、抛物镜或球面镜单元分别旋转阵列而成的新型碟式聚光器，具有制造简单且成本低，以及各平面镜之间无遮挡的紧凑布置的显著优点[7-8]。它是通过将几何参数完全相同的镜面单元绕一个点以相同的半径进行旋转阵列布置，相当于在一个球面基底上合理布置镜面单元，这是不同于以往采用相同镜面单元组成碟式聚光器的镜面布置方法。通过详细研究镜面单元几何参数、旋转阵列参数和聚光器口径等关键参数对其聚光性能的影响，充分展示了该新型聚光器在聚光光热（高聚光比需求）和聚光光伏领域（高能流均匀性需求）的应用价值。
图11 由相同镜面单元旋转阵列的新型碟式聚光器
(a)三维结构示意图和(b)二维截面内光路传输示意图
图12 采用平面镜旋转阵列的新型聚光器获得的能流分布
图13 采用球面或抛物镜旋转阵列的新型聚光器获得的能流分布
在即将于8月30日～31日在甘肃省敦煌市召开的“2022中国太阳能热发电大会”上，颜健副教授将进行题为“碟式聚光集热系统的低成本创新设计与服役性能保持研究”的口头报告。敬请关注，识别下方二维码即可在线报名。
相关成果
[1]颜健,聂笃忠,田勇,刘永祥,彭佑多.基于凹面透镜优化的太阳能碟式/腔体接收器系统聚焦能流均匀化研究[J].光学学报,2021,41(10):161-172.
[2]颜健,田勇,聂笃忠,刘永祥,彭佑多.光学误差对带凹透镜窗能流均化碟式聚光系统的光学性能影响[J].太阳能学报,2021,42(11):201-208.
[3]颜健,彭佑多,程自然.可实现均匀能流分布的太阳能碟式/三角形腔体接收系统的光学特性研究[J].太阳能学报,2020,41(07):202-213.
[4]Yan J, Peng Y, Cheng Z. Mirror rearrangement optimization for uniform flux distribution on the cavity receiver of solar parabolic dish concentrator system[J]. International Journal of Energy Research, 2018, 42(11): 3588-3614.
[5]Yan J, Peng Y-D,Wang H. Assessing the impact of non-ideal optical factors on optimized solar dish collector system with mirror rearrangement[J]. Int J Energy Res. 2020; 44:8799-8822. https://doi.org/10.1002/er.5575.
[6]Yan J, Peng Y, Cheng Z. Optimization of a discrete dish concentrator for uniform flux distribution on the cavity receiver of solar concentrator system[J]. Renewable energy, 2018, 129: 431-445.
[7]Yan J, Liu Y, Peng Y D. Study on the optical performance of novel dish solar concentrator formed by rotating array of plane mirrors with the same size[J]. Renewable Energy, 2022,195:416-430.https://doi.org/10.1016/j.renene.2022.06.005
[8]颜健,刘永祥,胡耀松,彭佑多.相同尺寸抛物/球面镜单元旋转阵列的碟式太阳能聚光器聚焦特性研究[J/OL].
光学学报:1-14[2022-08-04].http://kns.cnki.net/kcms/detail/31.1252.O4.20220714.1850.494.html
作者简介
颜健，工学博士，湖南科技大学机电工程学院（未来技术学院），副教授，硕士研究生导师。湖南省优秀博士学位论文获得者，“全国高校黄大年式教师团队”青年骨干成员，湖南省科技创新团队(资源开发装备设计理论与关键技术创新团队)青年骨干成员，第八届中国研究生能源装备创新设计大赛优秀指导教师。
一直从事太阳能聚光集热与发电技术、太阳能高效高温吸热器、聚光器结构风振控制与性能保持轻量化设计等方面的科研工作。
近年来，主持国家自然科学基金青年项目1项、湖南省自然科学基金青年项目1项和教育厅科研项目1项；作为科研骨干参与国家自然科学基金面上项目2项、湖南省战略性新型产业重大科技攻关和湖南省自然科学省市联合基金重点等省部级和企业横向项目6项；发表太阳能聚光热利用相关SCI/EI学术论文30余篇，授权国家发明专利15项。
