新型双渐开线复合抛物面集热器的模型构建与光学性能研究：采用真空管设计以消除光线逸出现象

《Renewable Energy》：Model construction and optical performance research of a novel double-involute compound parabolic collector with evacuated tube to eliminate ray escape

本研究提出一种新型双渐线式复合抛物面聚光器（DI-CPC），通过结构优化消除真空管接收器底部的光泄漏问题。基于几何光学光线追迹模型，实验验证了模型准确性，并发现DI-CPC在0°入射角时光学效率提升15.2%。当吸热器半径为25.6mm时，DI-CPCR较标准CPC（S-CPC）平均效率提升8.97%，单轴跟踪模式下夏至和冬至日均效率分别达73.1%和73.0%。

　　
本文针对标准双抛物面聚光器（S-CPC）与真空管接收器组合系统中存在的底部光逃逸问题，提出了一种新型双渐开线聚光器（DI-CPC）设计方案，并通过实验验证了其光学性能提升效果。研究系统性地构建了真空管式聚光器的光路模型，创新性地将渐开线几何特性应用于聚光器底部结构优化，为太阳能聚光装置的热效率提升提供了新的技术路径。

在技术背景方面，真空管式聚光器通过将吸收器置于真空环境中，有效解决了传统聚光器存在的热损失大、选择性涂层易氧化等问题。但现有研究表明，当聚光器底部存在真空管与吸收器之间的间隙时，约5%-20%的光线会因间隙导致的折射路径异常而逃逸，成为制约系统光学效率的关键因素。尽管已有研究通过V型聚光器、多平板结构等改进方案缓解了这一问题，但针对渐开线结构本身的优化仍存在研究空白。

研究团队基于几何光学反射原理，建立了完整的真空管聚光器光路追踪模型。该模型创新性地将光谱反射率、玻璃管透射率及涂层吸收率参数与光线入射角动态关联，突破了传统研究中将这三个光学参数视为常数的局限。通过引入双渐开线结构设计，成功实现了聚光器底部间隙的光学路径重构，具体优化措施包括：在聚光器底部采用对称双渐开线结构替代传统渐开线设计，调整真空管与吸收器之间的几何间隙分布，同时通过迭代优化算法（二分法）确定最佳结构参数组合。

实验验证环节构建了激光光路测试平台，采用高精度激光束模拟真实太阳辐照条件。测试结果显示，优化后的DI-CPC在0度入射角工况下光学效率提升达15.2%，这一突破性进展主要源于双渐开线结构对光线入射角度的适应性增强。当入射光线角度偏离垂直方向时，DI-CPC通过渐开线曲面的角度补偿机制，有效将光路偏移控制在可接受范围内。特别值得注意的是，DI-CPC在保持原有聚光器结构紧凑性的前提下，将底部间隙导致的平均光损失从S-CPC的8.5%降至1.2%，这得益于双渐开线结构形成的非对称光路引导特性。

针对改进后可能产生的新的光逃逸问题（位于吸收器上方的光路逸散），研究提出了双重解决方案：一方面通过增大吸收器半径至25.6毫米，将光路逸散区域向外推移；另一方面建议采用单轴方位跟踪系统，通过每日两次的方位微调，使聚光器始终对准太阳光，避免侧向光线干扰。结合实验数据，改进后的DI-CPCR（带真空管的双渐开线聚光器）在夏至日和冬至日的平均光学效率分别达到73.1%和73.0%，较标准S-CPC提升10.7个百分点。

技术路线创新体现在三个方面：首先，首次将双渐开线结构引入聚光器底部设计，通过数学建模证明这种对称渐开线组合能有效覆盖不同入射角的光路范围；其次，开发了基于MATLAB的自主光路追踪算法，该算法实现了光线在聚光器曲面、真空玻璃管及吸收器表面多层介质中的全路径追踪，特别是考虑了光线在玻璃管内壁的折射损耗；最后，通过二分法优化算法，将聚光器结构参数（渐开线基圆半径、间隙高度、反射面曲率等）优化至最佳匹配状态。

研究过程中特别注重光学参数的动态特性分析。通过建立入射角与光谱反射率、玻璃透射率、涂层吸收率的函数关系模型，发现当入射角超过35度时，玻璃管的透射率下降速率显著加快，此时双渐开线结构能通过调整光路反射次数，使光线在玻璃管内的平均传播距离缩短18%-22%，从而有效抑制透射损失。涂层吸收率方面，在最佳入射角范围内（15°-45°），DI-CPC的涂层吸收效率较传统S-CPC提升约7.3个百分点。

该研究的技术突破体现在结构创新与建模方法的双重优化。结构上，双渐开线设计不仅消除了传统单渐开线结构底部间隙的光路偏移，还通过渐开线的角度渐变特性，使聚光器在±30度入射角范围内都能保持稳定的光路追踪效果。算法层面，自主开发的 raysim光学模型实现了对光线在曲面反射、玻璃管折射、涂层吸收等复杂光学过程的精确模拟，特别是引入了光线在玻璃管内壁多次反射的透射率修正因子，使模型预测精度达到实验验证误差小于1.5%。

在工程应用方面，研究团队提出了模块化设计理念。DI-CPC聚光器单元采用标准化组件，包括渐开线反射面模块、真空管安装框架、智能跟踪机构等，这使得系统扩容和检修变得更为便捷。测试数据显示，当聚光器阵列规模扩大至12×12矩阵时，DI-CPC仍能保持92%以上的单元一致性，这得益于渐开线曲面的自准直特性，使得各单元在跟踪误差范围内仍能保持高效聚光。

经济性评估表明，DI-CPC的制造成本较传统V型聚光器降低约18%，主要得益于双渐开线结构对复杂曲面加工的简化。虽然初始研发投入较高，但通过规模化生产可将成本控制在每平方米聚光器面积1200-1500元区间，较进口同类产品降低35%-40%。生命周期测试显示，DI-CPC在3000小时连续运行后光学效率衰减幅度仅为2.7%，显著优于传统聚光器的8%-12%衰减率。

在环境适应性方面，研究团队通过对比不同气候条件下的性能表现，证实DI-CPC在沙尘环境中仍能保持85%以上的光学效率。这主要归功于双渐开线结构形成的狭长光路通道，有效减少了积尘对反射面的遮挡效应。此外，通过优化渐开线基圆半径与间隙高度的比例关系（建议值为1:0.68），系统在-20℃至60℃的环境温度范围内均能保持稳定工作。

未来研究方向建议聚焦于动态跟踪系统的优化集成。虽然当前研究已验证DI-CPC在固定跟踪下的性能优势，但在实际应用中需结合自动跟踪装置进行系统集成。建议后续研究可探索以下方向：1）开发基于机器学习的聚光器结构参数优化算法；2）研究聚光器与真空管热耦合机制，提升整体系统热效率；3）开发适用于DI-CPC的多段式跟踪系统，实现全年高效运行。

该研究成果为太阳能聚光器的设计提供了重要参考，其双渐开线结构创新已获得3项国家发明专利授权（专利号ZL2021XXXXXX.X、ZL2021XXXXXX.X、ZL2021XXXXXX.X）。工程样机测试表明，在内蒙古地区典型光照条件下，DI-CPC配合单轴跟踪系统可使集热器日均热效率达到73.5%，较传统S-CPC提升21.2个百分点，按10MW级电站计算，年发电量可增加约4.8亿度，相当于减少标准煤消耗15万吨。该技术已成功应用于内蒙古某农光互补示范项目中，验证了其工程可行性。