湖南科技大学颜健Energy: 基于跟踪补偿和接收器平移补偿方法的服役载荷下碟式集热系统光学性能保持研究

Jian Yan*, YouDuo Peng, XinYi Xie, YongXiang Liu. Optical performance maintenance of solar dish collector system under service loads based on tracking compensation and receiver translational compensation methods, Energy, 2024, 313:134125 . https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.134125

1.文章背景

太阳能碟式集热系统是聚集太阳光能来提供高品质热量源泉的一种重要光学装置，它通常与热动力装置(例如斯特林热循环或布雷顿热循环装置)或高温热化学装置有机组成太阳能高温利用系统，从而实现清洁环保的太阳能资源的开发利用。为了降低碟式聚光器建造成本和提升太阳能系统利用效率，碟式集热系统的采光面积逐渐增大，通常抛物反射镜面的直径可达10.0~20.0 m，例如作者研制的额定功率为38 kW的碟式/斯特林热发电系统(XEM-Dish系统)，直径达到了17.7 m 。大型碟式集热系统的服役光学性能尤其受风载荷影响非常敏感，风载荷作用导致的结构变形将显著恶化其接收器的能流密度分布，更为严重的还会导致接收器局部产生高温烧蚀或烧穿等不利问题，这给太阳能接收器的安全高效光-热转换和后续热动力装置的高效运行带来了非常严峻挑战。为了改善服役载荷作用下的光学性能，普遍做法是通过优化聚光器结构参数减小风致变形来间接“保障”光学性能，但受到经济性限制，聚光器结构的刚度并不“富裕”，所以此方法对服役载荷影响的改善效果很有限，而且它也无法从根本上解决问题。因此，如何实现服役载荷作用下碟式集热系统的光学性能保持尤为重要，它是碟式集热系统高质量聚光服役所面临的一道难题。

湖南科技大学颜健副教授团队一直从事太阳能聚光装备高精设计与服役性能保障研究。近日，在Energy期刊发表系列研究之最新成果五“Optical performance maintenance of solar dish collector system under service loads based on tracking compensation and receiver translational compensation methods”。论文提出了跟踪补偿和接收器平移补偿两种方法，以XEM-Dish系统为对象，充分展示了两种补偿对载荷作用下碟式集热系统服役光/热性能的优异保持效果，为高参量太阳能聚光集热系统高质量聚光与安全高效光-热转换服役提供新保障技术途径。

(a)XEM-Dish系统的现场照片，(b)XEM-Dish系统的喇叭腔体接收器和(d)圆柱腔体接收器

2.中文摘要

太阳能碟式集热系统是聚集太阳光能来提供高品质热量源泉的重要装置，但服役时不可避免受到风载荷作用导致结构变形，进而恶化其能流密度分布和光学性能，如何实现其光学性能保持尤为重要。论文以建造的直径为17.7 0m和焦距为9.49 m的大型太阳能碟式/斯特林热发电系统为对象，提出并详细评估了跟踪补偿和接收器平移补偿两种方法对载荷作用下碟式集热系统（包括用于斯特林热机的喇叭腔体接收器和常规圆柱腔体接收器）服役光学性能的保持效果，最后还对比分析了补偿前后的空气圆柱腔体接收器的光-热转换性能。结果表明，两种补偿方法均能显著的消除因载荷作用下碟式集热系统结构变形导致的腔体接收器的局部高能流密度、周向能量分布非均匀和光学拦截损失等不利问题，且改善后的能流分布、光学效率和热性能均非常接近于理想光学情况。采用两种补偿方法，圆柱腔体接收器的Ee能从未补偿的0.12~0.17显著降低到0.01~0.06；喇叭腔体接收器的Ee能从未补偿的0.41~0.62显著降低到0.04~0.19，Wnon能从0.30~0.52显著降低到0.09~0.15，在最不利的45°-180°工况，接收器的四象限区域内最大能量差异从27.83 kW减小到只有4.86 kW，能有效保障斯特林热机的安全平稳运行。总的而言，提出的两种补偿方法均能优异的实现载荷作用下碟式集热系统服役光/热性能的保持，能为保障其高质量聚光和安全高效光-热转换提供新途径。

3.研究内容

碟式聚光器是通过高度-方位双轴跟踪装置EATD)来实现准确的跟踪太阳位置，从而使太阳光聚集到接收器的预定区域。EATD的方位跟踪轴n2与地平面垂直，高度跟踪轴n1与地平面平行且垂直于碟式聚光器的焦轴线NF。当自重或风载荷作用导致碟式聚光系统结构变形时，焦轴线NF与太阳入射中心光线S存在夹角，这就是等效的跟踪误差角。为了确定跟踪补偿方法中EATD的方位角和高度角各自的补偿值，需要解决两个问题，第一是确定聚光器跟踪误差角与EATD中两个跟踪轴的输出转角之间的关系，因为跟踪补偿的执行元件就是EATD。第二是确定载荷作用下焦平面的聚焦光斑偏移距离(质心位置)与聚光器跟踪误差分量的定量关系。由此实现由聚焦光斑确定聚光器跟踪误差分量，再确定EATD的跟踪补偿角。

服役载荷作用引起的碟式聚光系统的等效跟踪误差示意图

腔体接收器平移补偿方法就是将接收器的中心平移到聚焦光斑的质心位置，以此来降低碟式聚光器变形产生的不利影响，保障服役光学性能和能流分布。实际实施过程非常简单，通过一个简单的二维平移机构就可将腔体接收器的中心轴线平移到质心点c位置，具有响应快且能耗低的优点，它不像跟踪补偿方法那样需要驱动大质量且大惯性的碟式聚光系统。

腔体接收器平移补偿的示意图

典型载荷工况下碟式聚光系统的结构变形和接收器的能流密度分布如下图所示。载荷作用下焦平面的聚焦光斑均存在不同程度的偏移问题，即聚焦光斑的质心偏离了腔体接收器的中心或焦点F，而且腔体接收器内吸热器表面的能流分布沿其周向非常不均匀，尤其是在45°-180°工况下吸热器表面基本只有一侧能吸收聚集的太阳能量，这对吸热器和斯特林热机的安全高效运行均非常不利。

风载工况下碟式集热系统的结构变形（最左边，单位为mm），以及焦平面（左边第二）、喇叭腔体接收器（左边第三）和圆柱腔体接收器（最右边）的能流密度分布（单位为W/m2）

从焦平面的能流分布来看，两种补偿方法均能使聚焦光斑重新返回到接收器的中心位置，显著的消除了因碟式聚光系统承受服役载荷变形而导致的偏焦问题，而且聚集光斑非常接近理想光学的高斯能流分布。从腔体接收器的能流分布，可以看到两种补偿方法均能明显的消除局部区域的高能流密度和整个周向能量分布非均匀等不利问题，尤其是45°-180°和90°-0°工况通过补偿后可达到与理想光学情况非常接近的能流分布。在腔体接收器的峰值能流密度方面，对于最不利的45°-180°工况，未进行补偿时圆柱和喇叭腔体接收器的峰值能流密度分别达到了1.66×106 W/m2和1.17×106W/m2，而通过补偿后均能显著的降低到1.03×106 W/m2和0.89×106W/m2，这是非常有益的，它能有效的降低局部高温热斑的发生，从而提升腔体接收器的安全运行。

采用跟踪补偿后碟式集热系统的焦平面（左）、喇叭腔体接收器（中）和圆柱腔体接收器（右）的能流密度分布，单位为W/m2

采用接收器平移补偿后碟式集热系统中焦平面、喇叭腔体接收器和圆柱腔体接收器的能流密度分布，单位为W/m2

以45°-180°载荷工况为例，分析了理想光学工况，无补偿工况和实施补偿后的能流分布作为热流边界条件的影响。由于载荷作用导致接收器局部高峰值能流密度分布，引起了局部热斑问题。在未实施补偿时，接收器峰值温度已高达1545 K，这是非常危险的。而采用两种补偿方法均能将峰值温度显著地降低到1248 K，即温度下降了297 ℃，它们与理想工况的1222 K基本接近。实施补偿方法后的接收器温度分布与理想光学工况基本一致，尤其是跟踪补偿方法更为接近，充分展示了跟踪补偿方法和接收器平移补偿方法对载荷作用下碟式聚光集热系统的服役热性能的保持效果。

45°-180°载荷工况下补偿前后圆柱腔体接收器的工作温度分布，(a)理想光学工况，(b)无补偿措施，(c)采用跟踪补偿方法和(d)采用接收器平移补偿方法

4.作者简介

颜健，湖南科技大学副教授，博士生导师。湖南省优秀博士学位论文获得者，入选湖南科技大学“高层次人才”计划（奋进学者）、湖南科技大学“湘江学者”计划，国家自然科学基金函评专家，“新能源技术与装备”湖南省优秀研究生导师团队核心成员，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，“全国高校黄大年式教师团队”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。主要研究方向：太阳能聚光装备高精设计与服役性能保障、高参高性能太阳能吸热器、机械动力学与振动控制。近年来，主持国家自然科学基金、湖南省自然科学基金和教育厅科研项目重点项目等10余项；在《Energy》《Renewable Energy》《International Journal of Energy Research》《机械工程学报》《振动与冲击》《光学学报》《太阳能学报》等国内外重要SCI/EI刊物上发表学术论文40余篇（第一/通讯作者）；授权国家发明专利30余项（第一发明人）。

近期代表性论文：

1. Jian Yan*, YouDuo Peng, XinYi Xie, YongXiang Liu. Optical performance maintenance of solar dish collector system under service loads based on tracking compensation and receiver translational compensation methods, Energy, 2024, 313:13412 5. https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.134125

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