蒸汽在工业生产与人类生活中具有广泛的应用，如海水淡化[1-2]、蒸汽发电[3-4]、消毒灭菌等[5]。太阳能是一种分布广泛的可再生能源[6]，为获得高温位热能，高效实现水的汽化，常常采用聚光器提高太阳辐射能量密度。目前太阳能产蒸汽主要采用太阳能聚光器[7]和太阳能蒸馏器实现[8-9]。太阳能聚光器需要利用复杂的跟踪系统追踪太阳，且高质量曲面光学器件建造成本较高[10-12]。太阳能蒸馏技术不论是采用多级闪蒸 [13-14]，还是多效蒸馏 [15-16]，系统均处于负压状态运行，结构复杂且设备易出现腐蚀结垢等问题[17-18]。
为探索经济及大规模利用的可能性，采用低成本的平面镜增加装置接收到的太阳辐射能量密度。ABDALLAH等[19]以阶梯式太阳能蒸馏器替代传统斜坡式太阳能蒸馏器，并在阶梯式太阳能蒸馏器上安装反射镜，其系统热性能提高了30%。GNANARAJ等[20]构建了一种双槽式太阳能蒸馏器并在双槽式太阳能蒸馏器外部的上、下两侧增设反射镜将更多的太阳辐射能集中到上部和下部槽中作为二次增加热源，蒸馏水产量从4 333增加到5 650 mL·d-1。ESTAHBANATI等[21]建立了反射镜对蒸汽产生效率影响的数学模型，研究了反射镜对单槽斜坡式太阳能在冬季和夏季期间蒸汽产量的影响。实验中，安装反射镜后冬季、夏季以及全年的产蒸汽量分别增加了65%、22%和34%。随着天空云量增加，反射镜的效果明显降低。但即使天空完全浑浊(Cloud Factors=1)，使用反射镜仍然可以提高一年蒸汽产量约为18%。KHALIFA等[22]在实验中将反射镜分别安装在实验装置上部、下部及实验装置内部，增强太阳能装置对热源二次接收，但不同蒸汽发生装置在反射镜反射聚热后，实际能够使装置产生中高温蒸汽的效率是不同的。TANAKA[23-25]研究了自然蒸发式太阳能蒸馏器对工质的蒸发，并在此基础上对装置不同位置增设反射镜对蒸汽产量进行研究。利用平面镜可有效提高太阳能装置蒸汽产量，但以上研究中单盘式太阳能蒸馏器与多槽式太阳能蒸馏器本身产蒸汽效率低，难以实现规模化利用。
本文提出一种外部平面反射镜与聚热集能结合的太阳能蒸汽发生装置，计算了季节、倾角和方位角与平面反射镜接收、反射太阳辐照量的关系。讨论了反射镜对聚热集能蒸汽发生装置接收到的总能量及系统散热损失的影响。对较大面积聚热集能板收集太阳能加热金属管达到较高温度产蒸汽的过程进行了实验。
2 理论计算模型 2.1 倾斜面上的辐照量反射镜与聚热集能装置上能够接收到的太阳辐照量由直射辐射、散射辐射(包括太阳的散射和太阳照射到地面反射回来的散射)组成，其直接影响装置产蒸汽的性能。采用式(1)计算[26]：
| ${G_{\rm{T}}} = {G_{\rm{b}}} \cdot {R_{\rm{b}}} + {G_{\rm{d}}} \cdot {R_{\rm{d}}} + \left( {{G_{\rm{b}}} + {G_{\rm{d}}}} \right) \cdot \rho \cdot {R_\rho }$ | (1) |
式中：Gb为水平直辐射，W·m-2；Gd为水平散辐射，W·m-2；Rb为直辐射修正因子，
图 1是反射镜接收太阳辐射能后反射到聚热集能装置上的太阳辐照量。ABCD为聚热集能装置、ABEF为反射镜，以X轴为水平地面，X'为距X轴长L1时下部空间水平面。ABC"D"是聚热集能装置对称于反射镜(ABEF)所得平面。ABC'D'、ABF'E'是以X轴为水平地面的聚热集能装置、反射镜在同一太阳高度照射下的投影，A'B'C"D"、A'B'F"E"是以X'轴为水平地面的聚热集能装置、反射镜在同一太阳高度照射下的投影。其中，C'、D'、E'、F'是C、D、E、F以X轴作为水平面的太阳照射投影点，A'、B'、C'、D'、E'、F'是A、B、C、D、E、F以X'轴作为水平面的太阳照射投影点。反射镜接收太阳辐照后能够反射至聚热集能装置上的部分为A'B'GD"。图中，
| ${L_1} = {W_{\rm{H}}} \cdot {\rm{cos}}{\omega _1}$ | (2) |
| ${L_2} = {L_1} \cdot \left( {\sin \left| \gamma \right|} \right)/\tan \phi $ | (3) |
| ${L_3} = {L_1} \cdot {\rm{cos}}\gamma /\tan \phi $ | (4) |
| ${L_4} = {W_{\rm{H}}} \cdot {\rm{sin}}{\omega _1}$ | (5) |
| ${L_5} = {W_{{\rm{ref}}}} \cdot \left( {{\rm{cos}}{\beta _{{\rm{ref}}}} - \sin {\beta _{{\rm{ref}}}} \cdot \cos \gamma /\tan \phi } \right)$ | (6) |
| ${L_6} = {W_{{\rm{ref}}}} \cdot \sin {\beta _{{\rm{ref}}}} \cdot \left( {\sin \left| \gamma \right|} \right)/\tan \phi $ | (7) |
| ${L_7} = \left( {{L_3} + {L_4}} \right) \cdot \tan {\omega _3}$ | (8) |
| ${L_8} = \left( {{L_1} + {W_{{\rm{ref}}}} \cdot \sin {\beta _{{\rm{ref}}}}} \right) \cdot \cos \gamma /\tan \phi $ | (9) |
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图 1 反射聚热集能装置几何分析图 Fig.1 Geometric profile of the reflective heat collecting solar steam generation device |
式中：WH为聚热集能装置宽度，m；
其中，
| ${\omega _1} = 2 \cdot {\beta _{{\rm{ref}}}} + {\beta _{\rm{H}}} - \pi /2$ | (10) |
当
当
反射镜增加的太阳辐射量
| ${Q_{{\rm{sun - ref}}}} = {G_{{\rm{dr}}}} \cdot {\tau _{\rm{g}}}\left( {\theta '} \right) \cdot {\rho _{{\rm{ref}}}} \cdot {\alpha _{\rm{c}}} \cdot \left( {{L_3} + {L_4}} \right) \cdot \left\{ {L - 0.5 \cdot \left( {{L_2} + {L_7}} \right)} \right\}$ | (11) |
| $\cos \theta ' = \sin \varphi \cdot \cos {\omega _1} + \cos \varphi \cdot \sin {\omega _1} \cdot \cos \gamma $ | (12) |
式中：Gdr 为反射镜镜面上太阳辐照度，W·m-2；
在反射镜将太阳光反射投影至玻璃盖板上时，会出现以下几种反射投影重叠区域的情况：
1.当
2.当
3.图 2是反射镜将太阳光反射投影至玻璃盖板上时出现的两种特例。
当
| ${Q_{{\rm{sun - ref}}}} = {G_{{\rm{dr}}}} \cdot {\tau _{\rm{g}}}\left( {\theta '} \right) \cdot {\rho _{{\rm{ref}}}} \cdot {\alpha _{\rm{c}}} \cdot {L_5} \cdot \left\{ {L - 0.5 \cdot {L_5} \cdot \left( {\tan {\omega _2} + \tan {\omega _3}} \right)} \right\}$ | (13) |
|
图 2 反射镜将太阳光反射投影至玻璃盖板上时出现的两种特例 Fig.2 Two special cases when a mirror reflects sunlight onto a glass cover |
式中：
4.当
| ${Q_{{\rm{sun - ref}}}} = {G_{{\rm{dr}}}} \cdot {\tau _{\rm{g}}}\left( {\theta '} \right) \cdot {\rho _{{\rm{ref}}}} \cdot {\alpha _{\rm{c}}} \cdot 0.5 \cdot {L^2} \cdot \sin \left( {{{90}^ \circ } - {\omega _2}} \right) \cdot \sin \left( {{{90}^ \circ } - {\omega _3}} \right)/\sin \left( {{\omega _2} + {\omega _3}} \right)$ | (14) |
图 3是聚热集能装置能流示意图。单位时间内聚热集能装置获得的有用能
| ${Q_{\rm{u}}} = {Q_{\rm{T}}} + {Q_{{\rm{ref}}}} - {Q_{{\rm{ TL}}}}$ | (15) |
|
图 3 聚热集能装置能流示意图 Fig.3 Thermal conductive focusing of the heat collecting plate |
式中：
单位时间内聚热集能板接收太阳辐照量：
| ${Q_{\rm{T}}} = {A_{\rm{c}}} \cdot {G_{\rm{T}}} \cdot {(\tau \alpha )_{\rm{e}}}$ | (16) |
式中：Ac为聚热集能板面积，m2；GT为聚热集能装置上的太阳辐照量，W·m-2；
聚热集能装置单位时间内总散热损失包括顶部玻璃盖板、侧部和底部保温层热量损失，即
| ${Q_{{\rm{TL}}}} = {Q_{\rm{t}}} + {Q_{\rm{b}}} + {Q_{\rm{s}}}$ | (17) |
式中：
根据DUFFIE等[30]经验公式，
| ${Q_{\rm{t}}} = {A_{\rm{a}}} \cdot {U_{\rm{t}}} \cdot \left( {{T_{{\rm{abs}}}} - {T_{\rm{a}}}} \right)$ | (18) |
| ${Q_b} = {A_{\rm{a}}} \cdot {U_{\rm{b}}} \cdot \left( {{T_{{\rm{abs}}}} - {T_{\rm{a}}}} \right)$ | (19) |
| ${Q_{\rm{s}}} = {A_{\rm{s}}} \cdot {U_{\rm{s}}} \cdot \left( {{T_{{\rm{abs}}}} - {T_{\rm{a}}}} \right)$ | (20) |
式中：
图 4是春分日不同倾角、方位角时镜面反射(4(a))及集热板倾斜面上(4(b))的能量接收情况。当反射镜倾角15°时，从实验开始镜面反射后到达接收面的能量持续增加；11时26分(时刻1)镜面反射增加的有效能量达到峰值；随后下降，11时55分(时刻2a)后急剧下降至接近于零。反射镜有效工作时间(实验开始至11时55分)方位角为-90°时，镜面有效反射的能量最高，135°最低。图 4(b)中，11时55分(时刻2b)下降为零后镜面无法反射太阳辐射能至聚热装置，增加的能量为零。
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图 4 春分日不同倾角、方位角时镜面反射及装置上的能量接收情况 Fig.4 Energy reception of mirror reflect and the device with different inclinations and azimuth angles at vernal equinox day |
当反射镜倾角25°时，反射镜有效工作时间为实验开始至16时。图 4(a)中反射到聚热装置上的能量从实验开始不断增加至11时41分(时刻3)处，随后下降至15时10分(时刻4a)。时刻3至4a内镜面有效反射的能量逐渐减少。15时10分(时刻4b)因太阳方位角、太阳入射角的原因，镜面有效反射的能量升高。随后太阳高度角下降，有效反射的能量呈直线下降。图 4(a)中实验开始至15时10分方位角为-90°时，镜面有效反射的能量最高，135°最低。15时10分至16时180°最高，-90°最低。图 4(b)中有效工作时间(实验开始至16时)内方位角为180°时，装置接收的总能量最高。可见，外部反射镜增强聚热装置方位角180°度摆放接收太阳辐射能量最佳。
当反射镜倾角35°时，反射镜有效工作时间为实验开始至16时。图 4(a)中反射到聚热装置上的能量从实验开始不断增加至14时(时刻7)处，随后逐渐减少。10时20分至12时40分(时刻5~6)方位角为-90°时，镜面有效反射的能量最高，135°最低。时刻6~7方位角为-90°时，镜面有效反射的能量最高，180°最低。整个时刻5~7反射镜方位角应-90°摆放。时刻7以后方位角为135°时镜面有效反射的能量最高。图 4(b)中有效工作时间(实验开始至14时30分)内方位角为180°时，装置接收的总能量最高。可见，外部反射镜增强聚热装置方位角180°度摆放接收太阳辐射能量最佳。
图 5是夏至日不同倾角、方位角时镜面反射(图 5(a))及集热板倾斜面上(图 5(b))的能量接收情况。图 5(a)中，反射镜倾角15°、25°时3种方位均无法使镜面接收的太阳辐射能反射到聚热装置。
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图 5 夏至日不同倾角、方位角时镜面反射及装置上的能量接收情况 Fig.5 Energy reception of mirror reflect and the device with different inclinations and azimuth angles at summer solstice day |
当反射镜倾角35°时，装置日有效工作时间(实验开始至16时)内镜面有效反射至聚热装置的能量，以正午时呈对称型。图 5(a)中正午时前段(实验开始至13时)方位角为-90°时，镜面有效反射的能量最高，135°最低。正午时后段(13时至16时)方位角为180°时最高，-90°最低。图 5(a)中时刻1、2、3、4因太阳高度角、方位角、入射角在夏至日对称性升高与下降造成镜面反射太阳光线至聚热装置成像不同。图 5(b)中有效工作时间(实验开始至16时)内方位角为180°时，装置接收的总能量最高。可见，外部反射镜增强聚热装置方位角180°度摆放接收太阳辐射能量最佳。
图 6是秋分日不同倾角、方位角时镜面反射(图 6(a))及集热板倾斜面上(图 6(b))的能量接收情况。当反射镜倾角15°时，整个镜面无法将接收到的太阳辐射能反射至聚热装置，正南摆放。当反射镜倾角25°、35°时，图 6(a)中装置日有效工作时间(实验开始至16时)内镜面有效将反射至聚热装置的能量，以正午时呈对称性。正午时前段(实验开始至13时)方位角为-90°时，镜面有效反射的能量最高，135°最低。正午时后段(13时至16时)方位角为135°时最高，-90°最低。图 6(b)中反射镜方位角为180°时，正午时前后反射镜对聚热装置增加的太阳辐射量均匀稳定。可见，外部反射镜增强聚热装置方位角180°度摆放接收太阳辐射能量最佳。
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图 6 秋分日不同倾角、方位角时镜面反射及装置上的能量接收情况 Fig.6 Energy reception of mirror reflect and the device with different inclinations and azimuth angles at autumnal equinox day |
图 7是冬至日不同倾角、方位角时镜面反射(图 7(a))及集热板倾斜面上(图 7(b))的能量接收情况。当反射镜倾角15°时，装置日有效工作时间(实验开始至16时)内镜面有效的将能量反射至聚热装置。图 7(a)表明方位角为-90°时，镜面有效反射的能量最高。图 7(b)表明方位角为-90°时，镜面有效反射的能量最低。方位角为-90°时，反射镜增加的能量仅占装置全部接收能量的27.7%。因此整个装置方位角180°放置。
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图 7 冬至日不同倾角、方位角时镜面反射及装置上的能量接收情况 Fig.7 Energy reception of mirror reflect and the device with different inclinations and azimuth angles at winter solstice day |
反射镜倾角25°时，镜面11时1分开始反射接收的太阳辐射，15时15分结束。反射镜倾角35°时，镜面12时12分开始反射接收的太阳辐射，14时3分结束。因为无法保证反射镜有效地反射接收到的辐射能量，所以仅考虑聚热装置摆放。
3 实验图 8是反射增强聚热式太阳能蒸汽发生装置。图 9是实验装置。实验在中国南方昆明(北纬25.05°)冬季进行，聚热集能装置倾角30°，正南摆设。太阳能蒸汽发生装置采用聚热集能的方式，使用面积为7.2 m2的聚热集能板收集太阳能，并将收集的太阳能传热汇聚到水平剖面积为0.16 m2的金属蒸汽发生管上，从而达到较高温度(100~135 ℃)。系统包括聚热集能式太阳能蒸汽发生装置、聚热集能板、双层玻璃盖板、不锈钢外框、金属发生管、外部反射镜、保温水箱、真空压力表、液位计、冷凝装置、以及测温仪，玻璃盖板与外框使用黑色硅酮密封胶密封，底部和四周填充有保温隔热材料。
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图 8 反射增强聚热式太阳能蒸汽发生实验装置 Fig.8 Schematic diagram of the reflective heat collecting solar steam generation device |
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图 9 实验装置 Fig.9 Picture of the experimental device |
增设反射镜方位角180°放置于聚热集能式太阳能蒸汽发生装置下部，倾角15°，直射和漫射的太阳辐射能以及镜面反射的辐射能通过玻璃盖板照射到聚热集能板上。
典型晴天情况下10:30~15:30是实验效果最佳时段，实验自10:00开始、16:00结束。使用烧杯收集蒸汽冷凝水、电子秤称重。利用PT100热电阻测量温度，精度±0.2 ℃。TBQ-2型总辐射表测量镜面、装置表面的太阳辐照强度，精度±2%。TRM-FD2型太阳能测试记录仪采集记录实验装置、工质温度。根据蒸汽冷凝水收集量对金属管进行适当补充工质，使实验装置一直处于工作状态。
4 实验结果与分析图 10是典型晴天条件，10:00~16:00中反射镜、集热集能装置、反射增强聚热集能装置单位面积接收能量的变化。反射镜方位角与聚热装置相反，接收的太阳辐射强度低，单位面积上反射镜平均接收太阳辐照量381.78 W。聚热装置接收太阳辐射强度的变化曲线为中间线段，平均接收太阳辐照量993.18 W。聚热装置被镜面反射增强后的位置，太阳辐射强度的变化曲线如图，平均接收太阳辐照量1 275.93 W。结果表明，增设反射镜后，聚热集能装置能够在单位面积上增加的太阳辐射能为28.5%。反射镜、聚热装置及完整的镜面增强聚热装置在点1、2、3处，接收的太阳辐射能均明显下降。因空中出现云层遮挡，镜面、聚热装置无法接收完整的太阳辐射。
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图 10 镜面、聚热集能装置接收的太阳辐射能变化情况 Fig.10 Profiles of solar irradiance received by the reflector and the solar heat concentrating collector |
图 11是增设反射镜后，聚热集能板上能量的增加使温度有较高提升，聚热集能装置不同部件的温度变化。冬季太阳高度角低，日出时间迟，太阳辐照强度低。10:00~11:30反射镜能够反射到聚热装置上的太阳辐照量少。增设反射镜的聚热装置板温略高于原聚热装置板温。
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图 11 反射镜对金属管和聚热集能板温度的影响 Fig.11 Effects of reflector on temperature of metal tubes and heat collecting plates |
11:30~12:30是太阳辐照度峰值段。此时段聚热集能板平均温度134.29 ℃，聚热集能装置金属管平均温度98.34 ℃；外部反射镜增强聚热装置聚热集能板平均温度162.59 ℃，金属管平均温度108.66 ℃。结果表明，外部反射镜增强聚热后聚热集能板平均温度提高21.1%，金属管平均温度提高10.5%。
当反射镜将聚热集能装置单位面积上增加太阳辐射能28.5%，聚热集能板、金属管平均温度升高。导致外部反射镜增强聚热装置顶部玻璃盖板，底部和侧面散热损失增加。图 12是增设外部反射镜对太阳能聚热集能装置散热损失影响。聚热集能装置单位面积上顶部平均散热损失
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图 12 反射镜对太阳能聚热集能装置散热损失的影响 Fig.12 Effects of reflector on heat loss of the solar collecting energy collector |
与图 10中装置所获得的太阳辐射能对比：顶部热损占总损失的79%，底部热损占15.9%，侧面仅占5.1%。增设反射镜后，顶部热损占总损失的79.93%，底部热损占15.2%，侧面仅占4.87%。综合比较增设反射镜聚热的热损占比相对聚热集能装置未提升。
图 13是单位时间内蒸汽发生速率随太阳辐照度的变化及单位面积的有用能变化。反射镜在太阳辐照度达到1 000 W·m-2以上对蒸汽发生速率有明显提升。图中曲线出现高低起伏，因为金属管内工质蒸发后补充进入新的工质，这部分刚进入的工质温度与金属管内温度差距较大，使金属管出现高温－冷却－高温过程。有用能在曲线折点1、2下降，原因与图 10相同，空中出现云层遮挡，反射镜、聚热装置无法接收完整的太阳辐射。
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图 13 反射镜对聚热集能装置蒸汽发生速率、有用能的影响 Fig.13 Effects of reflector on steam generation rate and useful energy of the heat concentrating collector |
装置日有效工作时间(10:00~16:00)太阳能聚热集能装置平均有用能为388.23 W·m-2，蒸汽发生速率为15.68 mL·min-1；增设反射镜的太阳能聚热集能装置平均有用能为518.05 W·m-2，蒸汽发生速率为27.79 mL·min-1。结果表明，有用能提高33.43%，蒸汽产率提升77.23 %。太阳辐照度达到1 000 W·m-2以上的条件下，外部反射镜增强聚热装置的最高蒸汽发生速率是未架设反射镜的聚热集能装置的2.5倍。日产蒸汽量从8.18提高到12.6 kg。
5 结论在聚热集能式太阳能蒸汽发生装置中增设平面反射镜。计算了不同季节、不同方位角、反射镜倾角时，系统中获得的有效太阳辐射能。实验获得了外部反射镜增强聚热产蒸汽装置的工作温度、产汽速率、日产汽量等。结果表明：
(1) 反射镜方位角在春冬季为-90，倾角小于25°；夏秋季，正午时前段方位角为-90°，正午时后段为135°。若不考虑正午时对称性，装置日有效工作时间(10：00~16:00)内，方位角为180°，倾角大于25°。集热装置倾角在当地纬度±(5~10°)，方位角正南±5°放置可最佳接收太阳辐照量。因此，外部反射镜增强聚热装置以正南朝向，昆明地区纬度25°±(5~10°)倾斜摆放。
(2) 聚热集能装置单位面积的顶部热损占总热损的79%、底部占15.9%，侧面占5.1%；增设反射镜聚热后单位面积的顶部热损占总热损的79.93%、底部占15.2%，侧面占4.87%；聚热集能装置单位面积的总热损占总能量59.94%，增设反射镜聚热后单位面积总热损占总能量57.45%。增设反射镜聚热后热损比例相对聚热集能装置未显著增加。
(3) 聚热集能装置单位面积上接收的有用能为397.91 W，增设反射镜后聚热集能装置单位面积上接收太阳辐照量增加28.5%，有用能为542.9 W，有用能提升36.44%。使聚热集能板、蒸汽产水管温度提高30.6 %。
(4) 太阳能聚热集能装置平均蒸汽发生速率为15.68 mL·min-1，增设反射镜的太阳能聚热集能装置平均蒸汽发生速率为27.79 mL·min-1，平均蒸汽产率提升77.23%。其中，在太阳辐照度达到1000 W·m-2以上时，外部反射镜增强聚热装置最高蒸汽发生速率是未架设反射镜的2.5倍。
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