带有辐射屏蔽的蛇形折流器接收器的光热 hydraulic（此处“hydraulic”可能有误，推测可能是“thermal”）性能以及混合菲涅尔碟式聚光器中的熵性能

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Opto-thermo-hydraulic and exergy performance of a serpentine-baffled receiver with radiation shields in a hybrid Fresnel-dish concentrator

　　

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  采用双辐射屏蔽层的蛇形通道接收器，应用于混合式PDC-FRL系统中。
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  耦合的MCRT-CFD框架能够解决双表面上不均匀的辐射通量问题。
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  最佳R_PDC值为0.9，可将最高壁温从1374.5°C降至安全的277.4°C。
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  这种设计将日常热效率和能量效率从69.9%/2.47%提升至73.4%/2.74%。
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  使用水作为介质时，接收器的热效率可达73.4%，而使用空气时仅为17.7%。

引言

化石燃料资源的日益短缺，加上其对环境的有害影响（包括二氧化碳（CO₂）排放和空气污染），使得全球能源危机加剧，迫切需要转向可持续能源[1]。作为一种广泛可用且环保的可再生资源，太阳能为解决能源供应问题和环境保护问题提供了实际可行的方案[2]。在各种太阳能应用中，热水供应是家庭、工业和商业中最普遍且能耗最高的需求之一，占总能源使用量的很大一部分[3]。抛物面盘集热器（PDCs）能够集中太阳辐射，并比普通平板集热器（FPCs）实现更高的热效率，已成为太阳能热水系统（如家用热水装置、工业过程加热回路以及海水淡化和吸收式冷却装置的预热阶段）的有效技术[4]。

太阳能的应用领域包括热转换、光子转换和混合转换。在热转换领域，它被用于家庭热水供应[5]、空间加热[6]、农业干燥[7]、太阳能烹饪[8]、工业过程加热[9]、脱附和再生过程[10]、海水淡化[11]、吸收式冷却[12]以及热化学燃料生产[13]。在光子转换领域，太阳辐射可用于光伏发电[14]、绿色氢气生产[15]、CO₂光还原[16]、废水处理[17]和水消毒[18]。此外，混合型光伏-热系统可以在单一平台上同时捕获太阳光谱中的电能和热能[19]。

多项研究探讨了基于PDCs的太阳能热水器（SWHs）。例如，Nanda等人[20]对最新的SWH技术进展进行了全面综述，涵盖了通过集热器设计、传热流体（HTFs）和相变材料（PCMs）来提高热效率的方法。研究表明，使用多壁碳纳米管（MWCNT）纳米流体作为HTF时，可实现最高87%的热效率；而仅使用水的系统使用FPC时也可达到82%的效率。Biabani等人[21]研究了圆形板式外部接收器在太阳能PDC系统中的能量和能量效率表现，发现质量流量为0.057 kg/s时，系统性能最佳，峰值热效率为52.98%，最大有用能量为31.1 W，能量效率为3.64%。Afshari[22]比较了太阳能蒸馏器与PDCs在不同应用中的表现，包括制备蒸馏水。根据他们的研究，PDCs可达到96.5°C的最高温度，但不适合用于蒸馏水生产；而在太阳能蒸馏器中加入运行风扇后，生产效率提高了66.6%，热效率从5.6%提升至9.4%。Arab Asadi等人[23]研究了采用不同基材（铜、锌、铁）的集成PDC-球形太阳能蒸馏装置，发现铜基材的性能最佳，热效率为13.97%，9小时内的产水量为2.592 kg；添加碎石作为热储存材料后，日落和夜间时段的生产效率提高了两倍。

还有一些研究关注了由菲涅尔透镜（FRLs）驱动的SWHs。Palomino-Resendiz等人[24]开发了一种主动式太阳能蒸馏系统，该系统结合了FRL聚光器和辅助光伏预热单元以及三自由度机器人太阳跟踪机制，显著加快了加热水和蒸馏过程的速度，同时有效降低了总溶解固体（包括有毒元素）的含量，使其达到人类可用的标准。Mokhtar等人[25]在阿尔及利亚气候条件下对基于线性菲涅尔接收器（LFR）的SWH系统进行了数值和实验研究，报告称热效率超过29%，出水温度超过347 K，数值结果与实验结果高度一致。Gupta等人[26]提出并实验验证了一种无需跟踪的太阳能聚光系统，结合了两个大型FRL和六个分段镜面，可在全天高效地进行热水供应，其瞬时热效率比单个FRL聚光系统高出约20%。Tan等人[27]实验研究了结合FRL聚光和导电添加剂改进的石蜡基PCM的被动式太阳能蒸馏器，优化配置下的日产量为3.30 kg/m²，热效率为35.34%，生产成本极低（0.004美元/（kg·m²），产水符合世界卫生组织（WHO）的饮用水标准。Kim等人[28]通过接收器优化研究了混合式PDC-FRL系统的性能，发现采用石英玻璃作为吸收材料的螺旋型接收器可实现最高88.2%的热效率，比铝制接收器高63.6%；优化后的系统安装面积比平板和真空管式集热器减少了29.9%，同时二氧化碳排放量减少了约901.1 kg CO₂/年。

尽管取得了这些进展，混合式PDC-FRL接收器仍有三个亟待解决的问题。首先，在现有配置中，两个聚光器的辐射都进入同一个吸收孔径，因此第二个聚光器虽然增加了辐射强度，但并未增加吸收面积，且散射或偏离孔径的辐射会损失掉。其次，这些接收器内部的流体流动方式仅限于螺旋形或简单的放射形路径，尚未研究同时加热两侧表面的接收器中的蛇形流动导流方式。第三，虽然使用了复合抛物面聚光器等二次反射器来增加辐射捕获量或减少热量损失，但其对双表面接收器的综合光学和热效应尚未得到量化。

本研究采用单一接收器配置解决了这些问题。该接收器是一个浅圆柱形腔室，两侧表面分别由FRL和PDC加热，两者通过单独的孔径分开吸收辐射。五个径向挡板引导流体沿螺旋形环形路径流动，在两个加热壁之间运动；两个圆锥形镜面将入射辐射引导至吸收面，从而回收原本会错过接收器的部分辐射，减少辐射和风力的影响。耦合的MCRT-CFD模型基于已发表的实验数据（针对参考型混合式盘-菲涅尔接收器[28]）对实际情况进行了模拟，该模型能够解决在真实坡度误差和日变化条件下的不均匀辐射通量问题，所得到的实际太阳辐射分布随后被用于热传导、层流和能量计算中。通过调整接收器距离比、屏蔽板倾斜角度和流体流量，找到了既能保持壁温在工作极限内，又具有良好热性能和能量效率的最佳配置；最后，在相同的几何形状、流量和边界条件下，比较了水和空气作为工作流体的性能。

章节摘录

参考系统和实验基础

所提出的先进接收器设计基于Kim等人在韩国朝鲜大学（纬度35°08′19.20″N，经度126°55′35.39″E）进行的实验工作[35]。参考配置包括一个PDC（外径1.35 m，内径0.35 m），有效收集面积为1.336 m²，反射率高于0.98；上方安装了一个圆形菲涅尔聚光器（直径0.25 m，焦距0.7 m，透光率约为0.90）。

集成多物理场建模框架

预测接收器的光热性能需要一个能够关联三个领域的框架：光学光线追踪用于解析两个吸收面上的不均匀辐射分布，包括屏蔽板的折射效果；流体动力学用于描述流体在蛇形通道中的传输过程； conjugate热传导用于量化固体组件与流动传热流体之间的能量交换。

计算验证和实验基准测试

为了获得可靠的结果，需要一个不会影响计算结果的网格，并与实际测量数据进行比较，以确保接收器配置之间的差异仅来源于物理现象而非数值模型本身。

结果与讨论

所有模拟均以研究地点（纬度32.6539°N，经度51.6660°E）7月份典型晴天的太阳辐射强度和环境空气温度为输入边界条件，以便在同一基础上进行比较。如图6所示，太阳辐射强度在7:00时约为250 W/m²，13:00时达到峰值1050 W/m²，19:00时降至235 W/m²，持续12小时；环境温度在7:00时为20°C，14:00时升至35°C。

结论与未来方向

本研究探讨了采用双圆锥形辐射屏蔽层的蛇形通道太阳能接收器在混合式PDC-FRL系统中的应用。解决了先前设计中未解决的问题：两个聚光器同时供能时缺乏主动的辐射重定向机制、双面加热接收器中缺乏导流通道、以及反射屏蔽层的综合光学和热效应。耦合的MCRT-CFD模型通过与参考接收器的测量数据进行对比验证。

CRediT作者贡献声明

Vahid Madadi Avargani：负责撰写、审稿与编辑、原始草稿编写、软件开发、方法论设计及概念构建。Salim Ahmed：负责撰写、审稿与编辑、监督工作、方法论设计及实验实施。Syed Imtiaz：负责撰写、审稿与编辑、监督工作、方法论设计及实验实施。Sohrab Zendehboudi：负责撰写、审稿与编辑、监督工作、方法论设计及实验实施。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

Memorial University（加拿大）和加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC）提供的财政支持。

Vahid Madadi Avargani|Salim Ahmed|Syed Imtiaz|Sohrab Zendehboudi