聚光器性能增强，关键在于“捡”回逃逸之光
 

封面解读：

太阳能聚光器在家庭供热、工业干燥以及大规模发电等领域已广泛应用。为有效提升太阳能聚光器的集光性能，降低生产制造成本，昆明理工大学可再生能源装备与系统实验室对传统复合抛物聚光器（Compound Parabolic Concentrator，CPC）进行优化设计，将聚光器底部设计为对称结构的平板反射面，所设计的无间隙损失CPC可有效再会聚从吸收体真空夹层中逃逸的太阳光，不仅实现了无间隙损失，而且更适宜于工程应用。并分析了等长反射面数量变化对无间隙损失CPC的聚光性能的影响规律，当等长反射面多而小的逐个连接在一起时易形成光栅效应，光的波动性将占据主导作用，因此在实际应用中不宜构造过多的等长反射面。

封面文章：陈 飞;桂青华; 太阳能真空管作为吸收体的复合抛物聚光器的无间隙漏光损失研究[J].光学学报, 2022, 42 (02):0208001.

1、研究背景

近年来世界能源紧张的问题日益突显，有限的化石能源和与之相关的环境问题迫使人们寻找新的能源替代方案，其中太阳能具有显著的环境友好特性而备受关注。太阳能作为一种清洁无污染的可再生能源已广泛应用于家庭供热、工业干燥以及大规模发电等领域。由于到达地面太阳光的辐射能流密度不高，通常采用聚光器提升太阳辐射能流密度，以满足更广泛的工农业用能需求。

圆形吸收体复合抛物聚光器（CPC）具有无需跟踪装置、系统静态运行、工作时间可调、收集散射辐射等优点，在太阳能集热、采光和照明等系统中发挥着重要作用。圆形吸收体CPC（省去在太阳能真空管夹层的部分）与太阳能真空管直接耦合使用时，部分会聚的太阳光线将从真空夹层中逃逸，见图1所示。为了提高聚光器对太阳光线的捕获能力，因此有必要把这些损失的太阳光重新利用起来。

图1 传统CPC模型与间隙损失

2、无间隙损失CPC聚光器设计与验证

为消除CPC聚光器在聚光过程中因吸收体真空夹层的存在而导致的间隙损失问题，提高聚光器对太阳辐射能的利用效率。昆明理工大学可再生能源装备与系统实验室基于非成像光学边缘光线原理，构建了等长反射面CPC数学模型，并采用程序计算获得了等长反射面结构参数的数值解，六种结构的无间隙损失CPC等长反射面局部特征见图2。

图2 无间隙损失单-六对等长反射面CPC局部结构图

等长反射面对数与单个等长反射面长度L的关系以及吸收体半径与间隙尺寸的关系见图3所示，从图中可以看出随着等长反射面对数的增加，单个等长反射面的长度逐渐减小；且单个等长反射面长度的减小幅度趋于缓慢，当反射面对数达到50对时，单个等长反射面的长度下降到1.11mm；另一方面多而小的等长反射面连接在一起使得反射面易形成光栅效应，此时光的波动性将占据主导作用，从而导致等长反射面不能将太阳光反射至圆形吸收体表面，因此在实际应用中，等长反射面对数不宜过多。

图3 CPC聚光器各参数对比

针对常用的真空管集热器（见图2中全玻璃太阳能真空管内管外半径r为23.50mm，外管外半径R1为29.00mm）耦合单对等长反射面的无间隙损失CPC聚光器，采用3D打印技术进行增材制造，并采用自制的激光实验装置（用激光模拟太阳光）对所设计的无间隙损失CPC性能进行验证，实验过程见图4。

图4 激光验证实验

在入射角为连续整数变化且不超过接收半角的条件下，在固定的光口位置分别对41个入射角进行激光验证，随后调节激光发射器分别以0°、10°、20°、30°的入射角，再次从无间隙损失CPC的不同光口位置处进行入射，以验证不同采光口处无间隙损失CPC对入射光线的会聚情况。图5中，实验结果显示实际的光线路径与数值计算结果吻合良好。

图5 各入射角下的误差分析

为了能够直观地显示无间隙损失CPC其等长反射面对到达太阳光线的会聚特性，采用蒙特卡洛光线追迹法（Monte Carlo Ray Tracing, MCRT）对入射的太阳光线进行模拟，无间隙损失CPC可视化的聚光过程见图6所示。从图6中可以清晰的看到，来自采光口的太阳光经反射曲面和等长反射面的反射后全部被吸收体捕获。可视化的光路再一次表明了无间隙损失CPC可将原本会逃逸的太阳光经二次反射后再利用，“捡”回了逃逸之光，有效提升CPC系统的采光性能。并且还实现了面体（CPC聚光面和吸收体）分离，为CPC在工程应用中的装配、调试及维护过程提供了便利。

图6 无间隙损失CPC等长反射面的聚光特性

3、展望

在后续工作中，课题组将继续探究非成像太阳能聚光器的性能提升途径，针对无间隙损失CPC聚光器开展光热转换理论与实验研究，并对其光热转换性能深入分析与评估，以期拓展其使用范围和应用价值，促进太阳能CPC聚光器的持续发展。

课题组简介

昆明理工大学可再生能源装备与系统实验室致力于可再生能源先进技术研发工作。近年来，课题组在国家自然科学基金、云南省“万人计划”青年拔尖人才专项等的支持下，在太阳能光热装备聚能与传热、智慧光伏系统控制与集成、空气源热泵理论与优化等领域取得了多项科研成果，多篇研究论文发表在Energy Conversion and Management、Energy、Renewable Energy等学术期刊，并出版学术专著。