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user: 4. 集热器结构参数优化 4.1. 集热器形状的最优选择 先保持采光口面积和集热器内壁面面积相同，利用Fluent模拟软件对5种不同形状结构的集热器进行静态热性能分析，温度云图如图3所示，其统一条件为：内壁面温度为673 K，采光口半径均为60 mm，安装倾角(采光口所处平面的法向与水平面的夹角)为0℃。 由图3可知：各类集热器内部的空气被加热升温，按高温滞留区的平均温度大小可分为：球形>六棱柱形 > 椭球形 > 圆台形 > 圆柱形，其中球形集热器内部高温区域的平均温度最大，所处温度数值范围为409 K~673 K，其值远远高于其余三种集热器，说明球形这一结构的集热器保温效果最优。 图3. 不同形状集热器的温度云图 4.2. 采光口面积与集热器内壁面比(S 1 /S 2 )的设计优化 控制腔式集热器采光口半径大小R 1 = 60 mm和倾角(0˚)为固定量，通过改变腔体内壁面的面积来控制S 1 /S 2 的比值变化(1/4， 1/6， 1/8， 1/10)，以研究不同比值下集热器的对流和辐射热性能。 4.2.1. 集热器光学性能模拟 改变采光口面积与集热器内壁面比值(S 1 /S 2 )获得不同尺寸比例下的反射光损以及球形集热器内部的光线分布状况。光学性能的监测系统如图4所示，假设抛物面聚光器上方存在有一虚拟平面光源，其投射出来的光线相互平行且垂直于聚光器开口平面，光线足够多且呈现均匀分布，其光源形状为圆盘形，直径为4 m，辐射能密度为1000 W/m 2 。聚光器表面为理想抛物面，聚光器的直径与光源一致，焦距为2 m，并且腔式集热器的开口平面恰好位于抛物面聚光器的焦点处。利用基于蒙特卡洛光线追踪法的商业软件进行集热器的光学性能研究，计算结果如表1所示。 其中，反射光损率的计算公式如下： ρ r e f = n o u t × 1 − α N (9) 式中： ρ r e f ——反射光损率/%； n o u t ——采光口逸出的一次反射光线数量； α ——腔体内壁材料对光线的吸收率，本文取0.9； N——自聚光器面进入腔体内部的光线总量。 观察表1可发现，当S 1 /S 2 比值减小时，集热器的光线逃逸量愈发减少。从集热器的结构尺寸大小来看，当S 1 /S 2 比值减小时，光线在腔体内部多次反射的概率增加，降低了光线逃逸的可能。从反射光损率的大小来看，比值为1/4~1/8时，反射光损率的下降速率明显大于1/10时，因此可以得出结论，当S 1 /S 2 比值减小至一定时，再对其进行减小尺寸比例已无法使得反射光损率得到更为明显的降低，结合集热器的设计及安装要求可以得出当S 1 /S 2 比值为1/8时，集热器光学效率较优，这与SI-QUAN Z [ 10 ] 的模拟结果趋势一致。 图4. 不同S 1 /S 2 比值下球形集热器的光线统计 Table 1 Light statistics of spherical collectors under different S1/S2 ratio S 1 /S 2 发射光线数量 N n out ρ ref /% 1/4 1，025，000 1，021，560 130，265 1.28 1/6 1，025，000 1，021，548 117，548 1.15 1/8 1，025，000 1，021，562 94，265 0.92 1/10 1，025，000 1，021，645 89，662 0.88 表1. 不同S 1 /S 2 比值下球形集热器的光线统计 4.2.2. 集热器热性能分析 如图5所示腔式集热器在采用不同S 1 /S 2 比值时所对应的温度云图。通过图5可以看出：随着S 1 /S 2 的比值逐渐减小，集热器内部的高温区域愈发显著，平均温度愈高；这说明，当采光口尺寸不变时，增加集热器内壁面面积，可将集热器内部高温滞留区域占比变大，从另一方面说明，内壁面积的增加使得通过采光口溢出的热损逐渐变小。比较S 1 /S 2 为1/4和1/6的两种集热器云图可以发现，集热器顶部的高温滞留区占比随着S 1 /S 2 比值的减小而增大，且观察腔体底部温度为环境温度的流体区域占比可以发现，其低温区域占比随S 1 /S 2 比值的减小而减小，因此可以发现当S 1 /S 2 比值为1/6时，其平均温度高于S 1 /S 2 比值为1/4的球形集热器。 图5. 不同S 1 /S 2 比值下集热器的温度云图 此外，观察S 1 /S 2 比值为1/6的温度云图时，由于集热器顶部高温滞留区的增大，其流体外溢现象的速率减弱，即采光口处存在的较大温度梯度在一定程度上阻止了腔内流体外溢的趋势，使得热损进一步减弱。而当S 1 /S 2 比值为1/8和1/10时，其腔体底部温度与环境温度一致的流体区域占比显著减小，顶部高温滞留区的占比明显增大，说明此时外界流体进入腔体内部的趋势减弱，以及顶部流体外溢的趋势也减弱，即腔体内壁流体与出口流体自然对流现象减弱。其中高温滞留区域以及冷热流体的流场方向如图6所示。 图6. 球形集热器流场示意图 4.3. 采光口尺寸的设计优化 控制采光口面积与集热器内壁面最优比值为S 1 /S 2 = 1/8、保持采光口倾角为0˚，通过改变开口尺寸(R 1 = 40、60、80、100、120 mm)，分析采光口尺寸大小对集热器热性能的影响，温度云图如图7所示。 图7. 不同开口尺寸下的温度云图(0˚倾角) 通过温度云图发现：当采光口尺寸逐渐增大时，集热器内部的低温对流换热区域逐渐增大，这说明，当开口尺寸较大时，集热器外侧流体受浮力因素影响而进入集热器内部的趋势较为明显，这导致对流换热现象剧烈。随着开口尺寸的逐渐增加，使得采光口顶部外逸的热空气流速逐渐增大，顶部热空气温度梯度逐渐增大，热量耗散上升。 观察图9发现，采光口中间位置流速近似为零，往两侧均呈逐渐增加的趋势，结合图8可以得出结论：采光口底部为冷流体自外侧环境进入集热器内部，而采光口顶部为热流体自腔体内部流向外侧环境，两股冷热流体在采光口中部相遇，速度方向相反造成速度减弱。并且，随着开口尺寸的逐渐增加，使得采光口顶部外逸的热空气流速逐渐增大，顶部热空气温度梯度逐渐增大，热量耗散上升。 图8. 采光口流体温度随位置变化(0˚倾角) 图9. 采光口流体速度随位置变化(0˚倾角) 此外，采光口的尺寸问题还和反射热损有关，其中有关公式如下： α c o v = α w 1 − ( 1 − α w ) ( 1 − A a p e A r e ) (10) ρ c o v = 1 − α c o v (11) P R E F c o v = ρ c o v P A P (12) 式中： α c o v ——集热器有效吸收率； α w ——腔体壁面材料对太阳辐射的吸收系数； ρ c o v ——集热器反射率； P A P ——集热器采光口截获的聚焦能量。 当 α w 为定值时，开口面积等于集热器内表面积时，反射热损失最大，故应减少开口面积，但这同时降低了采光口截获的聚焦能量。因此，根据热学性能的热损而言，采光口的尺寸越大，热损失越大，但在实际操作中，一味降低采光口尺寸，在一定程度上使得入射光线进入腔体内部的总量降低，因此，需结合实际需求，在入射光线满足设计要求的范围内，尽可能地将开口尺寸设计的较小一些。 4.4. 采光口倾角的设计优化 固定量设定为S 1 /S 2 = 1/8、R 1 = 60 mm，通过改变倾角(0˚、30˚、60˚、90˚)来研究集热器的静态热性能，定义倾角为集热器采光口平面的法线与水平面之间的夹角(如图10所示)：采光口面朝水平面时为0˚，开口面朝下为90˚。 由图10的温度云图可以看出：随着采光口的角度逐渐增大，集热器内部的高温滞留区域越发明显，这说明，采光口角度的增大使得高温滞留区逐渐变大，集热器与外界的换热逐渐减小。当倾角为0˚时，腔式集热器的内壁面温度线较为密度，温度梯度较大，与外界的对流换热现象较为剧烈。当倾角为30˚时，相较于0˚倾角而言，自集热器采光口外溢的流体温度明显降低，说明集热器与外界环境的对流换热减弱。当倾角为60˚时，集热器内部的上半部分主要是高温滞留区域，说明该处对流换热作用很弱，即外侧冷流体进入腔体内部的趋势减弱，热损进一步降低。 根据公式(3)~(8)计算得出不同倾角下集热器的热损失曲线如图11所示，随着采光口倾角逐渐增加，对流热损失逐渐变弱，说明倾角的增加可降低腔体内部温度由采光口溢出的可能，从而减弱了自然对流现象的产生，这与Leibfried [ 18 ] 观察到的试验现象一致。当倾角为最大值(90˚)时，其对流热损失值不为零，说明倾角的改变仅仅能降低对流热损失，而不能直接规避对流热损，因为，倾角的改变仅将腔体内部的温度分布趋于平均从而减弱采光口处的对流现象。此外，辐射热损失基本维持不变，说明倾角的变化对辐射热损的影响可忽略不计。因此，在实际工程中，应尽可能在高倾角下工作以降低对流热损，若倾角为最大值时，其对流热损占比仍较大时，可以考虑在采光口处增设高透光玻璃。 图10. 不同倾角下集热器的温度云图 图11. 不同倾角下集热器的热损失比较