多级内插件与二次反射镜对抛物槽式集热器（PTC）接收器光学性能及通量密度分布的影响：引入顺序与组合效应

《Next Energy》：Effects of insert and secondary reflector on the optical performance and flux density distribution of parabolic trough receiver

　　

抛物槽式集热器（PTC）吸收管上的周向热通量非均匀性是一个持续存在的问题。其引起热应力诱导的接收器弯曲以及接收器偏离焦线。这会降低长期光学和热性能。该研究数值评估了两种增强技术，以改善PTC吸收管上的通量均匀性和光学效率。第一种是置于接收器管内的多级内插件；第二种是将辐射重定向至吸收器上表面的二次反射镜。二者被单独评估以及组合评估，并以传统基线为起点沿两个方向构建：先引入二次反射镜，再加入内插件；以及先引入内插件，再加入二次反射镜。采用在SolTrace中实现的蒙特卡洛光线追迹（Monte Carlo ray-tracing, MCRT）方法对五种接收器构型进行建模。该模型已根据先前发表的结果进行验证。研究发现，内插件是最有效的单一改型。其使光学效率提高8.77%，并使通量均匀性改善至多53%。二次反射镜使通量均匀性改善至多68%，但降低光学效率。这些改型的施加顺序很重要：向以内插件为主导的构型添加二次反射镜不提供额外收益，而向以反射镜为主导的构型添加内插件则显著降低性能，因为二次反射镜所需的吸收器位移扰乱了内插件的光学对准。这些发现表明，在不使用二次反射镜的情况下应用多级内部内插件，是提高PTC接收器光学效率和热可靠性最有效且复杂度最低的方法。

该论文由Syed Aun Ali Rizvi、Muhammad Uzair和Shehzaib Yousuf Khan完成，围绕抛物槽式集热器（parabolic trough collector, PTC）接收器的光学性能与通量密度分布展开。研究背景是：PTC利用直接法向辐照度（direct normal irradiance, DNI）产生超过400°C的高温热能，是主流聚光太阳能技术之一。PTC接收器由位于抛物面反射镜焦线处的吸收管（absorber tube）和传热流体（heat transfer fluid, HTF）组成。其核心难题是吸收管周向热通量非均匀：顶部通常缺少反射辐射，底部集中接收反射辐射，造成周向温差、热应力（thermal stress）诱导的接收器弯曲以及接收器偏离焦线，进而降低长期光学和热性能。已有研究分别采用内部改型和外部二次反射镜（secondary reflector）改善通量均匀性，但二者组合以及在吸收管位移条件下的位置依赖行为尚未被系统比较。因此，研究人员在同一验证光线追迹框架下评估五种接收器构型，以隔离内部多级内插件（multistage insert）与二次反射镜的单独和组合贡献，并识别引入顺序对性能的影响。

研究人员采用在SolTrace中实现的蒙特卡洛光线追迹（Monte Carlo ray-tracing, MCRT）方法建立PTC光学模型，计算局部聚光比（local concentration ratio, LCR）、光学效率（optical efficiency, η_opt）和均匀性指标U。模型与Yang et al.和Jeter已发表结果对比验证，偏差为±4.28%。模拟比较五种构型：传统基线、二次反射镜、二次反射镜加内插件、内插件、内插件加二次反射镜。结果表明，内插件是最有效的单一改型，使光学效率提高8.77%，非均匀性降低至多53%；二次反射镜使非均匀性降低至多68%，但降低光学效率；组合效果取决于引入顺序。以内插件为主导的路线明显优于以反射镜为主导的路线。其意义在于，多级内插件可在不要求吸收管位移的情况下同时改善光学效率和通量均匀性，是低复杂度接收器改造方案，并有助降低热应力驱动的长期性能退化风险。

关键技术方法：研究人员在SolTrace中采用MCRT建立PTC接收器光学模型，太阳形状设为Gaussian，σ_sun=2.6 mrad，DNI=1000 W/m²，生成1×10⁸条太阳光线，并要求1×10⁶条光线相交；通过记录光线路径计算通量、η_opt和均匀性指标U；对五种接收器构型进行模拟，并与Yang et al.和Jeter已发表结果对比验证，偏差±4.28%。无样本队列来源。

研究结果如下。

4.1 基线：传统情形。通过光线追迹，传统金属吸收管处于未位移位置时，光学效率为72.67%，周向非均匀性达96.38%，为本研究中所有构型的最差值。因吸收管与焦线对准、几何对称，且顶部半周基本不接受反射光束，通量呈明显上重分布，成为后续所有改型的参照基线。

4.2 以反射镜为主导的构型。

4.2.1 二次反射镜的影响。研究人员将吸收管从原位置下移0.055 m，并将二次反射镜置于焦点上方0.09 m、孔径宽0.16 m。该布置使原本从吸收管上方漏失的光线被二次反射镜重定向至吸收管顶部，因而顶部半周获得较均匀的再定向辐射。但第二反射面带来额外反射损失，并产生遮挡，故光学效率相对传统情形下降5.61%，降至67.06%；同时非均匀性从96.38%降至28.6%，降幅约68%。

4.2.2 二次反射镜与内插件的影响。在反射镜主导构型基础上加入内插件后，吸收管仍下移0.055 m，二次反射镜仍位于其上方。由于二次反射镜要求吸收管偏离焦线，该位移破坏内插件与焦线的光学对准，上部区域同时接收来自主反射镜和二次反射镜的较多辐射，下部区域接受的通量约为上部的一半。结果光学效率降至约48%，非均匀性为69%，比单独内插件更差。该结果表明，从反射镜主导方向构建时，二次反射镜所要求的吸收管位移会传递至组合构型，并削弱内插件的光学对准。

4.3 以内插件为主导的构型。

4.3.1 内插件的影响。该构型中吸收管为玻璃，内插件为不锈钢，吸收管保持传统未位移位置；内插件形成三个下部区域和两个上部区域的多级换热区。内插件使光学效率提高至81.44%，相对传统情形提高8.77%；非均匀性降至39.2%，相对传统情形降低53%。其原因是：减小有效吸收直径提高入射光线与内插件的相交概率，从而提高截获因子；同时多级半圆轮廓使上部区域更靠近焦点并截获大部分直接聚光辐射，下部区域则更多吸收漫分布辐射，形成上下光学区域差异。

4.3.2 内插件与二次反射镜的影响。在内插件主导构型基础上加入二次反射镜，吸收管仍保持原始未位移位置。该构型光学效率为80.88%，仅略低于单独内插件的81.44%；非均匀性约为39.2%，无显著变化。原因是内插件已通过减小有效直径截获大部分可用光线，剩余可供二次反射镜重定向的“漏失”光线很少，因此二次反射镜不再产生明显增益，但也未造成明显损害。

5 对比分析。研究人员比较五种构型后指出，以内插件为主导的路线优于以反射镜为主导的路线：内插件单独可提高效率8.77%、降低非均匀性53%，此后添加二次反射镜无益也无害；而反射镜主导路线加入内插件后性能明显退化，因为二次反射镜要求的吸收管位移会传递至后续构型。该对比还表明，引入顺序与所用改型本身同样重要。非均匀性降低意味着周向温度梯度降低，可减少热应力驱动的接收器弯曲和偏离焦线，但该研究的光线追迹框架并未直接量化应力或热疲劳，作者将其列为未来工作方向。

6 贡献与工程意义。该研究的主要贡献是在单一验证光线追迹框架下系统比较内插件主导与反射镜主导的PTC接收器光学增强策略，揭示改型引入顺序是决定最终光学性能的关键因素。与仅采用二次反射镜的文献设计相比，内插件主导方案同时实现显著效率提升8.77%和非均匀性降低53%，且不要求吸收管位移，因此被作者定位为相对低复杂度的PTC接收器改造选项，并具有降低服役期热应力暴露的工程意义。

讨论部分总结：对比分析表明，内插件主导路线明显优于反射镜主导路线。内插件单独使效率提高8.77%、非均匀性降低53%，再加二次反射镜无额外收益；反射镜主导路线则因要求吸收管位移，加入内插件后性能显著退化。非均匀性降低可降低周向温度梯度，减少热应力驱动的接收器弯曲和偏离焦线，并预期降低累积热疲劳，但该文光线追迹框架不直接量化应力或疲劳。工程上，多级内插件是低复杂度、可同时改善光学效率和通量均匀性的方案，并可减少热应力暴露。

研究结论部分翻译如下：本工作的关键贡献是在单一验证光线追迹框架下，对抛物槽式集热器接收器的内插件主导和反射镜主导光学增强策略进行系统、定量比较，并识别改型引入顺序是影响最终光学性能的关键因素。本研究考察二次反射镜和内部内插件单独及组合使用，以优化抛物槽式集热器吸收管太阳通量分布。五种构型被光学比较，从传统基线沿两个方向构建：先引入二次反射镜再加入内插件，以及先引入内插件再加入二次反射镜。SolTrace数值结果表明，传统吸收管在所研究的所有构型中表现出最严重的周向通量非均匀性。内插件主导方法明显更优：仅内插件使非均匀性降低至多53%，并使光学效率提高8.77%；此后添加二次反射镜既无帮助也无损害，因为吸收管始终保持在原始未位移位置。相比之下，反射镜主导方法在加入内插件后性能退化：因为二次反射镜要求吸收管偏离焦线，该位移传递到组合构型并破坏内插件自身的光学对准，导致效率和均匀性显著差于任一单独改型。这证实改型引入顺序与所用改型本身同样重要。总体上，内插件主导方法是在PTC吸收管中同时改善光学效率和通量均匀性的最有效策略。本研究限于单一DNI值下的稳态光学光线追迹，不包含耦合热流体模拟；未来工作将把已验证光学模型与热-水力模型（thermal-hydraulic model）耦合，以量化由此产生的HTF温升和长期热应力行为。