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摘要：本文对多曲面聚光的太阳能集热器的工作过程进行了介绍，此类太阳能集热器具有跟踪精度要求很低的重要特点，在冬天时段甚至不需要跟踪太阳就能得到较高的集热温度和效率。对几种实际应用的多曲面太阳能集热采暖工程的性能进行了讨论与分析。给出了这些多曲面聚光的槽式太阳能集热器在冬季和春季室外实际环境下运行的实验数据。结果表明，此类新型槽式太阳能集热器有较高的集热效率，冬季-10℃的环境下，工作温度可达60℃以上，效率可达40%以上。可以满足建筑和农业大棚的冬季采暖要求。它还具有抗尘、抗风雪等特点。
关键词：多曲面聚光；槽式太阳能集热器；中温集热
引言
太阳光的密度比较低，在冬季会更低，因此要实现较高温度的太阳能集热，采取聚光方式是非常必要的。一般的太阳能聚光器有槽式抛物面聚光器和菲涅尔反射式聚光器等。但这类太阳能聚光集热器有一个严重缺点：装置对太阳跟踪精度和抛物面的理想程度要求非常高，被反射的光线一旦不能到达接收器，就将成为无效反射，这对低成本的中温集热装置的要求是非常苛刻的。
大部分的聚光式太阳能集热器都需要跟踪太阳。系统对跟踪精度的要求高低，决定了跟踪成本的高低。实践表明，太阳能跟踪系统由于所处的工作环境非常恶劣，因此出现问题的概率很高。所以，有时跟踪系统的问题甚至影响了系统的性能和使用。为了降低传统太阳能聚光集热器的对跟踪精度的要求，近年来有学者研究了多种新型的多曲面聚光集热器，比如，John L. Richter（1996）[1]就提出了一种由双抛物槽构成的新式太阳能聚光器，证明采用双槽后可以提高在冬季的聚光效率和提高聚光比。Tao Tao（2011）设计了一种由镜像焦点重叠的组合曲面聚光的槽式集热器，并对集热器的集热性能进行了分析和实验验证，证明该槽式聚光器可以大大降低对跟踪精度的要求，甚至当太阳光入射偏角达到12°时，聚光集热效率仍然可以达到40%[2～3]。Chung-Yu Tsai and Psang Dain Lin（2012）[4] 对一种变焦距的槽式抛物面聚光器进行了研究，证明在变焦范围内，可以收集到90%以上的光线。以上各种新型槽式集热器的研究，为减少对跟踪装置的精度要求和增加抗环境干扰的能力提供了条件。
在总结前人研究成果的基础上，本文介绍了几种新型的多曲面组合的抛物面聚光器，此类集热器的最大特点是将原来的单曲面聚光，分解成了多曲面聚光，大幅降低了系统对太阳跟踪精度的要求，在冬季使用，甚至不用跟踪太阳。同时，这类聚光集热器由于增加了玻璃盖板，因而提高了反射面抗尘的能力，也大大减少了接收器的热损失，提高了系统效率。
1.多曲面太阳能聚光器的工作原理与结构
多曲面聚光太阳能集热器的一般结构如图1所示，其截面主要由两个抛物线线段组成的聚光器、两个直边反射镜和一个下底抛物面组成。两个抛物线线段的的焦点分别在真空管接收器的左右两边，如图1所示。下底抛物面的焦点正好在真空管接收器的中心点上。两个直边反射镜将在太阳光非正入射的部分光线再反射到真空管上去，起到进一步聚光的作用。
多曲面聚光集热器的开口大小可以根据集热的温度要求确定，也根据真空管接收器的直径决定。一般来说，接收器管径越大，开口越大。如果开口保持不变，那么，接收器管径越大，聚光器的接收角越大，这里的接收角为聚光器不动，太阳在天空运动，某条太阳光线从可以进入接收器到移出接收器，所产生的角度。接收角越大，表明跟踪精度要求越低。因此，这种多曲面聚光器，一般有小槽和大槽两大类。对于小槽的聚光器，一般采用全玻璃真空管接收，开口宽度一般在300mm左右。大槽聚光器开口宽度一般在500～800mm。
为了评价本系统的聚光性能，对系统进行了光学仿真分析。根据上述几何参数和曲线方程，在Pro/ENGINEER软件中建立3维模型，并将该模型转存为IGES 格式，然后输入光学软件LightTools中进行光学仿真分析，假设光线数为100条，并认为光线为平行光。改变光线的入射角，分析接收器上能够接受的光线数。图2给出了当光线入射角为0°至15°时的光学仿真示意图。从图可以看出，对于100mm的圆管式接收器（与实验装置的真空管接收器的直径相同），光线入射角在正负5°的范围内，基本都能被接收器接收。图3给出了聚光器的聚光效率随跟踪误差的变化关系，可以发现，即使跟踪误差角达到13°，接收器接受的光线数也能够达到80%左右。表明该多曲面聚光器对太阳跟踪精度的要求非常低，可以利用非常简易的太阳跟踪器，并使用普通的步进电机控制。这为装置降低成本提供了条件。
此类装置的13°的接收角可以将偏移装置正负13°，总共26°的太阳光线收集到真空管上，基本可以覆盖整个冬天不需要跟踪。因为，冬季早上8：30前的太阳光比较弱，收集意义不大。因此，高度角小于13°的太阳光不需要考虑。从13°以后，太阳光进入我们的装置进行收集。我们的装置可以将正负13°的光线收集到真空管，加上聚光器的13°的安装倾角，聚光器可以收集从太阳高度角13°到39°的大部分光线。这个角度可以覆盖我国北方大部分地区。以北京为例可以做一个说明。北京地区北纬40°，冬至日在每年的12月22日左右，该天正午时太阳高度最低仅为26.5°。冬季其他典型日期的不同时段的太阳高度角如表1所示。从表1可以看出，本设计的多曲面聚光集热器基本可以覆盖整个冬天，无需跟踪太阳。如果夏天也要使用，则可以设计一个开关，一年只需要人工调节一次安装倾角即可。
2.小槽聚光集热器的设计与应用
为了利用多曲面聚光集热的原理设计冬季使用的太陽能集热器，我们还设计了基于多曲面聚光的小槽聚光式太阳能集热器，外观如图4所示。它的工程安装使用系统如图5所示。
该太阳能热水器由新型槽式太阳能集热器、储热水箱、油泵、循环管路等组成。系统如图5所示。为了减少系统运行过程中向环境的散热，循环管路和储热水箱外均包有岩棉保温层。新型槽式太阳能集热器是整个系统的核心部件，它主要是由组合曲面聚光器、真空管集热器、太阳跟踪系统和封装外壳等主要部件依次连接组成。其中封装外壳由透明玻璃盖板和外壳体组成。在冬季的实际应用结果表明，冬季太阳辐射大于15MJ/天情况下，环境温度大于负10℃时，系统的效率大于40%，集热温度在一天的大多时间段达到60℃以上，可以用于冬季采暖工程。该系统的主要优点如下： （1）本太陽能集热器可以将低能流密度的太阳光汇聚成高能流密度线状的太阳光，并将大部分汇聚的光线投射到真空管集热器上，通过真空管集热器将光能转化为中高温热能。这使得单位集热器面积上需要使用的真空管集热器数量减少，从而减少了真空管集热器内部传热工质的质量，进而减少了整个系统的热惰性，使系统的升温更加迅速，特别适合冬季日照时间短和环境温度低的情况使用。
（2）本太阳能集热器采用导热油作为传热工质，可以在零下30℃至零上330℃之间运行，避免了系统结垢和沉渣等毛病，也彻底避免了真空管集热器炸管和平板集热器冬季冻裂的毛病，从而克服了现有真空管集热器和平板集热器的固有缺陷。
（3）本太阳能集热器继承了平板集热器整体性好，易于与建筑一体化设计与施工的优点，也汇集了真空管集热器保温性能好，可在低环境温度下高效使用的特点。
（4）本太阳能集热器既可以使用自然循环式，也可以使用强迫循环式，适合将系统悬挂于建筑的南墙上，避免了传统太阳能集热器或热水器只能放置于楼顶的缺陷，特别是可以与建筑墙面进行一体化设计，可以有效减少太阳能集热器或系统对建筑外观的破坏，甚至还可以为建筑的美化增加色彩或美的元素。
3.大槽聚光集热器的设计与应用
基于上述聚光原理，我们重点研制500～700mm宽的多曲面槽式聚光太阳能集热器，部分成熟产品的聚光器如图6所示。集热系统主要由多曲面槽式太阳能集热器、真空管接收器、储油箱和工质循环泵（或者风机）组成，系统内部的运行工质为普通导热油或者空气。槽体长度2米，内表面采用反射率约为90%的高反射铝板作为反射面，保证了反射面的光滑平整度。实际工程系统由多组串联然后并联组成，东西向放置，一些实际工程系统的照片如图7所示。
实际工程系统的运行表明，采用本聚光器的工程系统在冬季能够很好地收集太阳能，工质温度可以达到60℃以上，全天的效率一般保持在40%左右，可以实现冬季采暖要求。空气集热系统的集热温度可以达到80℃以上，中午时段的集热温度可以达到140℃以上。总体来看，本文设计的多曲面聚光太阳能集热器，在冬季有很好的集热效果，无需跟踪太阳，运行成本低廉，是一款好的冬季太阳能采暖产品。
4. 结论
本文介绍了一种多曲面聚光的槽式太阳能集热器，并对该集热器的性能和实际工程应用进行了讨论。实际工程应用结果表明，系统的集热温度在冬季易于大于60℃，可以实现高效率的中温集热。在晴好天气下，工作温度超过60℃的工作时间大于6.0小时，系统效率大于40%的有5.5个小时。表明该集热器有较好的聚光集热性能。根据它的性能和所能提供的温度范围，它可以广泛应用于生活中的很多领域，诸如，海水淡化，冬季室内采暖，夏季空调制冷，春秋季提供热水等，具有广阔的市场前景。
参考文献：
[1]John L. Richter. Optics of a two-trough solar concentrator. Solar Energy，Volume 56，Issue 2，February 1996，Pages 191-198.
[2]Tao Tao，Zheng Hongfei，He Kaiyan，Abdulkarim Mayere. A new trough solar concentrator and its performance analysis，Solar Energy，Volume 85，Issue 1，January 2011，Pages 198-207.
[3]Saffa Riffat，Abdulkarim Mayere. Performance evaluation of v-trough solar concentrator for water desalination applications. Applied Thermal Engineering，Volume 50，Issue 1，10 January 2013，Pages 234-244.
[4]Chung-Yu Tsai，Psang Dain Lin. Optimized variable-focus-parabolic-trough reflector for solar thermal concentrator system. Solar Energy 86（2012）1164–1172
关键词：多曲面聚光；槽式太阳能集热器；中温集热
引言
太阳光的密度比较低，在冬季会更低，因此要实现较高温度的太阳能集热，采取聚光方式是非常必要的。一般的太阳能聚光器有槽式抛物面聚光器和菲涅尔反射式聚光器等。但这类太阳能聚光集热器有一个严重缺点：装置对太阳跟踪精度和抛物面的理想程度要求非常高，被反射的光线一旦不能到达接收器，就将成为无效反射，这对低成本的中温集热装置的要求是非常苛刻的。
大部分的聚光式太阳能集热器都需要跟踪太阳。系统对跟踪精度的要求高低，决定了跟踪成本的高低。实践表明，太阳能跟踪系统由于所处的工作环境非常恶劣，因此出现问题的概率很高。所以，有时跟踪系统的问题甚至影响了系统的性能和使用。为了降低传统太阳能聚光集热器的对跟踪精度的要求，近年来有学者研究了多种新型的多曲面聚光集热器，比如，John L. Richter（1996）[1]就提出了一种由双抛物槽构成的新式太阳能聚光器，证明采用双槽后可以提高在冬季的聚光效率和提高聚光比。Tao Tao（2011）设计了一种由镜像焦点重叠的组合曲面聚光的槽式集热器，并对集热器的集热性能进行了分析和实验验证，证明该槽式聚光器可以大大降低对跟踪精度的要求，甚至当太阳光入射偏角达到12°时，聚光集热效率仍然可以达到40%[2～3]。Chung-Yu Tsai and Psang Dain Lin（2012）[4] 对一种变焦距的槽式抛物面聚光器进行了研究，证明在变焦范围内，可以收集到90%以上的光线。以上各种新型槽式集热器的研究，为减少对跟踪装置的精度要求和增加抗环境干扰的能力提供了条件。
在总结前人研究成果的基础上，本文介绍了几种新型的多曲面组合的抛物面聚光器，此类集热器的最大特点是将原来的单曲面聚光，分解成了多曲面聚光，大幅降低了系统对太阳跟踪精度的要求，在冬季使用，甚至不用跟踪太阳。同时，这类聚光集热器由于增加了玻璃盖板，因而提高了反射面抗尘的能力，也大大减少了接收器的热损失，提高了系统效率。
1.多曲面太阳能聚光器的工作原理与结构
多曲面聚光太阳能集热器的一般结构如图1所示，其截面主要由两个抛物线线段组成的聚光器、两个直边反射镜和一个下底抛物面组成。两个抛物线线段的的焦点分别在真空管接收器的左右两边，如图1所示。下底抛物面的焦点正好在真空管接收器的中心点上。两个直边反射镜将在太阳光非正入射的部分光线再反射到真空管上去，起到进一步聚光的作用。
多曲面聚光集热器的开口大小可以根据集热的温度要求确定，也根据真空管接收器的直径决定。一般来说，接收器管径越大，开口越大。如果开口保持不变，那么，接收器管径越大，聚光器的接收角越大，这里的接收角为聚光器不动，太阳在天空运动，某条太阳光线从可以进入接收器到移出接收器，所产生的角度。接收角越大，表明跟踪精度要求越低。因此，这种多曲面聚光器，一般有小槽和大槽两大类。对于小槽的聚光器，一般采用全玻璃真空管接收，开口宽度一般在300mm左右。大槽聚光器开口宽度一般在500～800mm。
为了评价本系统的聚光性能，对系统进行了光学仿真分析。根据上述几何参数和曲线方程，在Pro/ENGINEER软件中建立3维模型，并将该模型转存为IGES 格式，然后输入光学软件LightTools中进行光学仿真分析，假设光线数为100条，并认为光线为平行光。改变光线的入射角，分析接收器上能够接受的光线数。图2给出了当光线入射角为0°至15°时的光学仿真示意图。从图可以看出，对于100mm的圆管式接收器（与实验装置的真空管接收器的直径相同），光线入射角在正负5°的范围内，基本都能被接收器接收。图3给出了聚光器的聚光效率随跟踪误差的变化关系，可以发现，即使跟踪误差角达到13°，接收器接受的光线数也能够达到80%左右。表明该多曲面聚光器对太阳跟踪精度的要求非常低，可以利用非常简易的太阳跟踪器，并使用普通的步进电机控制。这为装置降低成本提供了条件。
此类装置的13°的接收角可以将偏移装置正负13°，总共26°的太阳光线收集到真空管上，基本可以覆盖整个冬天不需要跟踪。因为，冬季早上8：30前的太阳光比较弱，收集意义不大。因此，高度角小于13°的太阳光不需要考虑。从13°以后，太阳光进入我们的装置进行收集。我们的装置可以将正负13°的光线收集到真空管，加上聚光器的13°的安装倾角，聚光器可以收集从太阳高度角13°到39°的大部分光线。这个角度可以覆盖我国北方大部分地区。以北京为例可以做一个说明。北京地区北纬40°，冬至日在每年的12月22日左右，该天正午时太阳高度最低仅为26.5°。冬季其他典型日期的不同时段的太阳高度角如表1所示。从表1可以看出，本设计的多曲面聚光集热器基本可以覆盖整个冬天，无需跟踪太阳。如果夏天也要使用，则可以设计一个开关，一年只需要人工调节一次安装倾角即可。
2.小槽聚光集热器的设计与应用
为了利用多曲面聚光集热的原理设计冬季使用的太陽能集热器，我们还设计了基于多曲面聚光的小槽聚光式太阳能集热器，外观如图4所示。它的工程安装使用系统如图5所示。
该太阳能热水器由新型槽式太阳能集热器、储热水箱、油泵、循环管路等组成。系统如图5所示。为了减少系统运行过程中向环境的散热，循环管路和储热水箱外均包有岩棉保温层。新型槽式太阳能集热器是整个系统的核心部件，它主要是由组合曲面聚光器、真空管集热器、太阳跟踪系统和封装外壳等主要部件依次连接组成。其中封装外壳由透明玻璃盖板和外壳体组成。在冬季的实际应用结果表明，冬季太阳辐射大于15MJ/天情况下，环境温度大于负10℃时，系统的效率大于40%，集热温度在一天的大多时间段达到60℃以上，可以用于冬季采暖工程。该系统的主要优点如下： （1）本太陽能集热器可以将低能流密度的太阳光汇聚成高能流密度线状的太阳光，并将大部分汇聚的光线投射到真空管集热器上，通过真空管集热器将光能转化为中高温热能。这使得单位集热器面积上需要使用的真空管集热器数量减少，从而减少了真空管集热器内部传热工质的质量，进而减少了整个系统的热惰性，使系统的升温更加迅速，特别适合冬季日照时间短和环境温度低的情况使用。
（2）本太阳能集热器采用导热油作为传热工质，可以在零下30℃至零上330℃之间运行，避免了系统结垢和沉渣等毛病，也彻底避免了真空管集热器炸管和平板集热器冬季冻裂的毛病，从而克服了现有真空管集热器和平板集热器的固有缺陷。
（3）本太阳能集热器继承了平板集热器整体性好，易于与建筑一体化设计与施工的优点，也汇集了真空管集热器保温性能好，可在低环境温度下高效使用的特点。
（4）本太阳能集热器既可以使用自然循环式，也可以使用强迫循环式，适合将系统悬挂于建筑的南墙上，避免了传统太阳能集热器或热水器只能放置于楼顶的缺陷，特别是可以与建筑墙面进行一体化设计，可以有效减少太阳能集热器或系统对建筑外观的破坏，甚至还可以为建筑的美化增加色彩或美的元素。
3.大槽聚光集热器的设计与应用
基于上述聚光原理，我们重点研制500～700mm宽的多曲面槽式聚光太阳能集热器，部分成熟产品的聚光器如图6所示。集热系统主要由多曲面槽式太阳能集热器、真空管接收器、储油箱和工质循环泵（或者风机）组成，系统内部的运行工质为普通导热油或者空气。槽体长度2米，内表面采用反射率约为90%的高反射铝板作为反射面，保证了反射面的光滑平整度。实际工程系统由多组串联然后并联组成，东西向放置，一些实际工程系统的照片如图7所示。
实际工程系统的运行表明，采用本聚光器的工程系统在冬季能够很好地收集太阳能，工质温度可以达到60℃以上，全天的效率一般保持在40%左右，可以实现冬季采暖要求。空气集热系统的集热温度可以达到80℃以上，中午时段的集热温度可以达到140℃以上。总体来看，本文设计的多曲面聚光太阳能集热器，在冬季有很好的集热效果，无需跟踪太阳，运行成本低廉，是一款好的冬季太阳能采暖产品。
4. 结论
本文介绍了一种多曲面聚光的槽式太阳能集热器，并对该集热器的性能和实际工程应用进行了讨论。实际工程应用结果表明，系统的集热温度在冬季易于大于60℃，可以实现高效率的中温集热。在晴好天气下，工作温度超过60℃的工作时间大于6.0小时，系统效率大于40%的有5.5个小时。表明该集热器有较好的聚光集热性能。根据它的性能和所能提供的温度范围，它可以广泛应用于生活中的很多领域，诸如，海水淡化，冬季室内采暖，夏季空调制冷，春秋季提供热水等，具有广阔的市场前景。
参考文献：
[1]John L. Richter. Optics of a two-trough solar concentrator. Solar Energy，Volume 56，Issue 2，February 1996，Pages 191-198.
[2]Tao Tao，Zheng Hongfei，He Kaiyan，Abdulkarim Mayere. A new trough solar concentrator and its performance analysis，Solar Energy，Volume 85，Issue 1，January 2011，Pages 198-207.
[3]Saffa Riffat，Abdulkarim Mayere. Performance evaluation of v-trough solar concentrator for water desalination applications. Applied Thermal Engineering，Volume 50，Issue 1，10 January 2013，Pages 234-244.
[4]Chung-Yu Tsai，Psang Dain Lin. Optimized variable-focus-parabolic-trough reflector for solar thermal concentrator system. Solar Energy 86（2012）1164–1172