第27卷第2期能源技术Vol.27 No.22006年4月ENERGY TECHNOLOGYApr.2006研究与探索复合抛物面聚光器(CPC)光学分析研究刘灵芝2，李戳洪(1.中国科学院广州能源研究所，广州510540：2.中国科学院研究生院，北京100039)摘要：阐述了复合地物面聚光器(CPC)的设计原理和光学原理，简单介绍了复合抛物面聚光器(CPC)与不同接收器的结合形式。主要介绍了平板型CPC和圆管型CPC的设计方法和相关量的计算公式的推导结果最后主要说明了截取比在CPC系统中对系统效率和系统的经济性的影响，认为合适的裁取比可增加CPC的利用率并且可大大的节省材料，对CPC的推广应用很有利。关键词：复合抛物面聚光器(CPC);平板接收器；图管接收器；栽取比中图分类号：TK513.1文献标识码：A文章编号：1005-7439(2006)02-0052-05The optical performance of Compound ParabolicConcentrators(CPC)LIU Ling-zhi,LI Ji-hong(1.Guangzhou Institute of Energy Conversion,Chinese Aeademy of Sciences,Guangzhou 510640,China;2.Graduate School of the Chinese Academy of Science Beijing,Beijing 100039,China)Abstract:The paper expounds the design technique and optical performance of the compound parabolicconcentrators(CPC)and introduces the different CPC types combined with different absorbers.The design methodof flat type and tubular absorber CPC is introduced and the calculation process about some of their characteristic islisted.The truncation is also detailedly discussed.It is proved that appropriate truncation can improve the using ofthe CPC and reduce the use of material,it is propitious to develop the CPC.复合抛物面聚光器(CPC)是一种根据边缘光学原理设计的非成像聚光器，入射阳光在CPC中通过能和热性能进行系统的分析研究等5)。但是在这几次反射到达接收表面，流失较少，还可对斜人射的些研究中，CP℃的接收器大部分为平板接收器，只太阳光进行有效收集，达到最大理论聚光比，性能非有少量非真空圆管接收器和极少的真空园管接收常接近于理想聚光器。CPC的运行不需要随时跟器，而且以小聚光型为主，3，主要用于太阳能热水踪太阳位置，只需根据季节调节方位，结构简单，操器或热水系统，经济性和实用性都不强。近10年来作挖制方便。非成像的CPC聚光比一般不超过CPC的研究重点为圆管型（包括非真空圆管和真空15,工作温度范围为80~250℃，是具有一定特色的管)，目的是为了得到较高温度的热载体，甚至是得中温聚光集热器]。到蒸汽。例如文献[11,12]用圆管型CP℃系统产生对CPC的研究是在20世纪60年代开始的，最蒸汽，可供烹任：湘潭大学袁胜利等提到用太阳能热初的研究重点是对二维和三维复合抛物面案光器的管集热器与CPC系统结合，生产采用几何聚光比为几何结构和原理进行探讨，在应用上除了收集太阳5的CP℃系统，最终得到的160℃饱和水蒸气，流量能外还涉及到其他领域，例如用三维复合抛物面聚为2.85kg/h)。随者人们对应用中经济性的考光器对红外线进行收集等[②。70年代末期，研究工作有很大进展，内容包括CP℃与不同形式的接收虑，最近的研究中关于截取比也是一个热点，，部分学者还对非对称型CPC系统进行了研究。万方数据刘灵芝等：复合抛物面聚光器(CPC)光学分析研究本文准备简单介绍复合抛物面聚光器(CPC)与不同接收器的结合形式。主要介绍平板型CPC和圆管型CP℃的设计方法和对相关量的计算公式进行推导。最后重点分析研究截取比在CP℃系统中对系统效率和系统的经济性的影响。1复合抛物面聚光集热器平板型竖板型1.1聚光原理dCP℃的主体部分为两片抛物面反射板，纵切面如图1。图中AC和B)为抛物线，关于中心轴对称：AD和BC为CPC的人射限制线，分别与抛物线的主轴平行（或为CPC的主轴)：入射限制线与B对称轴夹角日称为接收三角型圆管型半角。当从CP℃上端开物面口人射的光线入射角小图2CPC与不同形状的接收器相结合于或等于9时，可直接或圆的渐开线，点F(圆的上顶点)为两抛物线共同的者经过反射最终从CPC焦点。h为从圆心算起的CPC的高度。的下端开口射出被利用，图1CPC剖面图2典型的CPC系统而当人射角大于B时，光线经过多次反射从的上端口射出不能被利用。所以CPC可以有不同形式18，其中对称的平板型和在CPC中0是一个关键的参数，它的大小直接决定圆管型CPC系统研究得比较多。了CPC的几何聚光比：2.1平板型CPC系统平板型CP℃系统主要由两个部分组成：抛物形1.2CPC与接收器的结合反光板和平板接收器。文献[1]给出一些关于平板CP℃可以和不同的接收器相结合，比较常见的型CPC的相关量的计算公式。有4种四，这些接收器在CP℃中的位置不同，要聚光器的焦距：求CP(的焦点位置也不同，如图2。(1)平板型接收器接收器为CP℃下端长度聚光器的高度：为d2的平板：CPC的焦点在抛物线的下端；右抛物线的主轴过左抛物线下端点并平行于左抛物线的上端点与右抛物线的下端点的连线。根据这些公式，进一步计算可以推导得出抛物线的(2)竖板型接收器接收器为长度为d的双弧长（抛物线先转换成标准形式）：面接收的竖直板：两条抛物线的焦点重合在竖直板的上端点；抛物线的主轴为图上的虚线；CPC两侧为两条抛物线，下端是一条以抛物线焦点为圆心以接收器的长度为L,则整个反光板的面积为：接收器高度d2为半径的圆弧。[++(3)三角型接收器接收器为由长度分别为d2,夹角为2的两条半抛物线组成；两条抛物线的焦点重合在两板的交点上。(4)圆管型接收器接收器为圆管；CPC反光2.2圆管型CPC系统板由圆（半径为）的渐开线和焦点为圆的上顶点的圆管型CPC系统的底部具有渐开线形状，进入两段抛物线组成，AC和BD为抛物线，CE和DE为CP℃下端，落在渐开线上的光线最终都能反射到圆万方数据刘灵芝等，复合抛物面聚光器(CPC)光学分析研究管接收器上-舍五人以及画图的程序采用由小段线连接成整个抛2.2.1系统方程町物线，而且这个描叙本身与理想情况存在一定偏差。左渐开线：x=-rsint+pcost不过由于抛物线的定义很明确，抛物线部分容易转y =-rcost-psint换成标准的抛物线方程形式，便于计算抛物线部分的孤长和整个反光板的面积，这对于了解用材量和右渐开线：x=rsint-pcost系统的经济性分析还是很有帮助的。y =-rcost-psint表1根据C绘图的圆管型C℉C的参数左抛物线：(xcos9一ysin9+rsin)2=C日宽/mm高/mm4f(xsin0+ycos0+f-rcose)30°297.6702307.77991.89505.250%319.5438.2715693.72432.7901414.5°566.89641195.86113.60909.775%4f(-xsin+ycos0+f-rcos0)511.5°710.74311872.07104.52479.506%2.2.2相关量的计算公式3截取比通过计算推导，得出以下相关量的计算公式。(1)聚光器的高度与其他的聚光器相比，CPC的反光板面积较大，但是反光板的上部聚光效果较差，因此随着反光(2)聚光器的焦距板高度的增加聚光比增加很小，特别在聚光比较高的CPC中表现得更加明显。实际应用时适当截去上面低效部分，可以减少用材降低成本，使性价比提高。平板型CPC经过截取后的高度与原高度的比值，圆管型CP℃经过截取后开口到圆管接收器圆心(3)左右抛物线顶点坐标分别为间的距离与原来的距离之比，称之为截取比。(-fsin0,r-fcos0)(fsine,r-fcose)截取比减小会造成聚光比减小，因开口和半角(4)反射板弧长增大所增加的光线虽然部分会从上下端口射出，但渐开线部分：还可以起到一定的补偿效果，还可延长运行时间。图3表示了3种平板型CP℃的截取比和聚光比之间的关系。可以看到当截取比较大（即截去的部分抛物线部分（抛物线先转换成标准形式）：较少)时，聚光比的诚小很少，一般截取比大于1/2时聚光比减小的很缓慢：只有当截取比小于1/2时聚光比才迅速诚小。综合考虑系统效率和它的经济性，选择截取比为2/3~1/2时是比较理想的。(⑤)整个反光板的面积图4显示了平板型CPC的实际聚光比与开口角度之间的关系。可以看出：经过截取后的CPC开根据以上介绍的CPC的特征画出的CPC反光口半角增大。为了获得同样的聚光比，经过截取后板的实际几何聚光比比理论儿何聚光比小，即C实标的CPC开口半角也要大些。例如C论为3的CPC小于1/sin0,而且随着0的减小，偏离越大。表1列的开口半角为19.5°，C花为4的CP℃经截取的开出了理论几何聚光比为2~5时画图出来的实际情口半角为36.74°；C题论为5的CP℃经过截取开口半况：包括开口宽度、CPC从圆的圆心到开口的高度、角为41.36°，三者得到的实际聚光比相同。实际几何聚光比和理论与实际的几何聚光比之差。令光线入射角为t,截取后CP℃开口半角为：，从表上可以看出画图出来的实际几何聚光比偏离理CP℃接收器上接收到的光线数量与从上端开口射论聚光比比较大，从0为30°时偏离5.25%到11.5°人的光线数量之比为F(t),那么对于未截取的CPC时9.506%。造成较大偏差的原因主要是计算时四的F(t)可表示为：·54·万方数据