拋物面槽式集熱器?損分析摘要本文針對(duì)槽式太陽能集熱器，對(duì)集熱管的熱力性能進(jìn)行建模模擬研究，并驗(yàn)證了模型的正確性。從?效率角度，研究了集熱器吸收管選擇性涂層的吸收率、玻璃套管的透射率、太陽輻照強(qiáng)度等因素對(duì)集熱器?效率的影響變化規(guī)律，揭示了集熱器各傳熱過程的?損失份額大小。結(jié)果說明，集熱器吸收管選擇性涂層的吸收率每提高1%，集熱器的?效率提高0.37%；玻璃套管的透射率每提高1%，集熱器的?效率提高0.38%；環(huán)境與玻璃套管從自然對(duì)流換熱到強(qiáng)迫對(duì)流換熱，集熱器?效率明顯下降；本文研究結(jié)果將為槽式太陽能集熱技術(shù)的設(shè)計(jì)與開展提供參考。關(guān)鍵詞：槽式太陽能集熱管；?效率；吸收率；透射率；自然對(duì)流0引言當(dāng)前，拋物面槽式太陽能集熱器技術(shù)是開展最為成熟、本錢較低的太陽能利?技術(shù)，主要應(yīng)用于槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)REF_Ref264010855\r\h[1]。拋物面槽式集熱器作為光熱轉(zhuǎn)換裝置，是整個(gè)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的根底。然而限制槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)開展的重要原因是集熱管的光熱效率較低〔55%~70%左右〕[2]因此世界各國太陽能熱發(fā)電研究課題組都對(duì)拋物面槽式集熱器熱力性能及損失機(jī)理進(jìn)行研究。目前，對(duì)拋物面槽式集熱器的研究根本都側(cè)重于熱力學(xué)第一定律的熱效率層面，R.Forristall[3]等人首先建立了對(duì)集熱管的一維、二維模型的熱力性能研究模型，研究了太陽能輻照強(qiáng)度、環(huán)境風(fēng)速等因素對(duì)集熱器性能的影響REF_Ref264011542\r\h[5]；熊亞選等人[4]基于R.Forristall所建立的集熱管一維模型并作了適當(dāng)簡(jiǎn)化，對(duì)集熱管熱力性能進(jìn)行了數(shù)值研究，計(jì)算分析環(huán)形空間真空度、選擇性吸收涂層以及環(huán)境因素對(duì)集熱管性能的影響。然而僅從熱力學(xué)第一定律角度分析不能反映集熱器的內(nèi)部可用能損失，不能全面的評(píng)價(jià)集熱器的熱力性能。高志超[5]從太陽輻照強(qiáng)度、投射角等氣象條件和系統(tǒng)運(yùn)行溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行?效率分析，但上述都未深入具體的研究槽式集熱管?效率、?損失以及光學(xué)?損失，特別是上述研究大多都針對(duì)能量的數(shù)量變化考察，沒有針對(duì)條件因素變化后，能量份額的變化角度去深入研究。本文建立了集熱管一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型和?損分析模型，并編制了計(jì)算程序，對(duì)集熱器的?效率、光學(xué)?損失和?損進(jìn)行細(xì)化分解計(jì)算分析研究，考察了集熱器吸收管選擇性涂層的吸收率、玻璃套管的透射率、太陽輻照強(qiáng)度等因素對(duì)集熱器性能的影響，從熱力學(xué)第二定律深入揭示了集熱器的?效率和內(nèi)部各局部?損失份額的變化規(guī)律，從而完善了對(duì)槽式集熱器熱力性能的評(píng)價(jià)體系。1入射太陽輻射能分布模型本文采用TestresultsSEGSLS-2s測(cè)試實(shí)驗(yàn)用的集熱管[6]，性能結(jié)構(gòu)參數(shù)如附表1所示，圖1是本文所建的槽式集熱器入射太陽輻射能一維傳遞模型圖。如下圖，太陽能光線被集熱器吸收的輻射能可分為3股能量流：1〕太陽輻射能落到集熱管上，穿過玻璃套管到達(dá)金屬吸收管上；2〕太陽輻射能落到集熱管上，2次穿過玻璃套管，到達(dá)反射鏡上，通過反射鏡反射，再次穿過玻璃套管，到達(dá)金屬吸收管上；3〕太陽輻射能直接落到反射鏡上，通過反射鏡反射，穿過玻璃套管，到達(dá)金屬吸收管上。圖1入射太陽輻射能傳遞模型2能量傳遞模型的建立與驗(yàn)證2.1能量傳遞模型本文建立了一維穩(wěn)態(tài)的集熱器能量傳遞模型，為了簡(jiǎn)化模型，假設(shè)太陽光入射角為0°，管壁溫度沿圓周方向沒有溫差。太陽輻射能到達(dá)金屬吸熱管后分為兩股：1〕一局部能量由金屬吸收管外壁通過導(dǎo)熱的方式傳入金屬吸收管內(nèi)壁，金屬吸收管內(nèi)壁與導(dǎo)熱介質(zhì)通過對(duì)流換熱，把熱量傳遞給導(dǎo)熱介質(zhì)有用熱量Q6；2〕另一股能量一局部通過支架結(jié)構(gòu)散熱給環(huán)境Qb，另一局部能量由金屬吸收管傳熱給玻璃套管后，玻璃套管向環(huán)境散失的熱量Q4r和Q4c。圖2是模擬集熱器熱力性能的程序框圖。2.2能量平衡方程根據(jù)能量傳遞模型，可列出以下4個(gè)能量平衡方程： 金屬吸收管內(nèi)壁能量平衡方程：Q56conv=Q45cond；金屬吸收管外壁能量平衡方程：Q4abs=Q45cond+Qbconv+Q4rad+Q4conv；玻璃套管內(nèi)壁能量平衡方程：Q32cond=Q4rad+Q4conv+Q3abs；玻璃套管外壁能量平衡方程：Q2abs+Q32cond=Q2conv+Q2rad。圖2程序框圖2.3模型驗(yàn)證本文根據(jù)TestresultsSEGSLS-2solarcollector實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[6]，與模型計(jì)算熱效率比照結(jié)果列于表1、表2，從中可以發(fā)現(xiàn)測(cè)試效率與模型計(jì)算效率在兩種工況下十分接近，產(chǎn)生誤差的原因可能是傳熱換熱系數(shù)的精確性以及程序運(yùn)算是計(jì)算結(jié)果的位數(shù)保存長(zhǎng)度，真空工況的最大效率誤差為1.14%，真空破壞工況最大效率誤差為1.37%，且最大誤差在實(shí)驗(yàn)的測(cè)試誤差范圍內(nèi)，說明本文所建的模型的精確可靠性。表1模型計(jì)算效率與實(shí)測(cè)工況效率比照表序號(hào)DNI〔W/m2〕環(huán)境溫度〔℃〕HTF溫度〔℃〕環(huán)境風(fēng)速〔m/s〕HTF流量〔L/min〕計(jì)算效率〔%〕測(cè)試效率〔%〕測(cè)試誤差〔±%〕效率誤差〔%〕真空工況123真空破壞工況4563083集熱管?損模型建立與計(jì)算3.1集熱管?損模型本文運(yùn)用熱力學(xué)第二定律對(duì)集熱管熱量傳遞過程中每個(gè)環(huán)節(jié)的可用能損失進(jìn)行考察，?分析模型電路圖如圖3所示，由圖可知，集熱管的?損失由,12個(gè)局部組成。根據(jù)?效率的定義，傳給流體的?/太陽輻射的?，由以下公式表示：?效率η：圖3集熱管?損電路圖表2單一輸入變量?分析表2℃℃[6]，進(jìn)行?損模擬研究，并逐一改變單一變量進(jìn)行考察，計(jì)算結(jié)果如表2所示。名稱單位典型值變化輸入12345678910輸入DNIW/m2780Ta℃20T6℃350vm/s0LL/min35α4τ2輸出真空工況ξ56conv%ξ45cond%6ξ43rad%2ξ43conv%≈0≈0≈0≈0≈0≈0≈0≈0ξ4abs%ξbconv%ξ32cond%ξ3abs%ξ2abs%921.28ξ2rad%0.220.89ξ2conv%0..27ξopt%η%真空破壞工況ξ56conv%ξ45cond%5ξ43rad%ξ43conv%ξ4abs%ξbconv%ξ32cond%0.14ξ3abs%ξ2abs%ξ2rad%ξ2conv%ξopt%η%由表可知，集熱管的主要?損失由金屬吸收管的吸熱?損、光學(xué)?損；其次是玻璃套管?損、吸收管熱輻射?損等。在兩種工況下，?損變化最明顯的是環(huán)形空間對(duì)流?損率(從0%變化為1.92%)；太陽輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度對(duì)于?損份額變化的影響不是很大；提高HTF的溫度，有效的降低吸收管的吸熱?損，提高集熱管的?效率〔1.6%左右〕，主要是提高溫度后，HTF的?的品味提升很多，但并不意味著提高HTF溫度能大大改善集熱管性能，HTF的溫度受HTF本身特性等諸多因素的影響；環(huán)境風(fēng)速對(duì)集熱管的影響主要在于真空破壞工況下，集熱管與環(huán)境的對(duì)流換熱?損；選擇性涂層吸收率與玻璃套管透射率影響光學(xué)?損，且每提高1%，光學(xué)?損降低〔1.5%左右〕，因此，有效的提高集熱管的光學(xué)效率，對(duì)于降低光學(xué)?損，提高集熱器的整體性能有顯著作用。4集熱管?效率分析4.1集熱管光學(xué)系數(shù)對(duì)?效率的影響2℃℃，環(huán)境風(fēng)速v：2.9m/s，進(jìn)行模擬研究[6]。圖4給出了選擇性涂層吸收率α4變化對(duì)集熱器?效率的影響，由圖可知，隨著吸收率α4的增加，集熱器?效率提高，且α4每增加1%，集熱器?效率提高0.37%。這是因?yàn)槲章试黾樱沟梦展芪盏奶柲茌椛淠茉黾樱瑐鹘oHTF的能量增加，同時(shí)減少了吸收管反射損失。圖5給出了玻璃套管透射率τ2與集熱器?效率的影響關(guān)系，由圖可知，隨著透射率的增加，集熱器的?效率隨之提高，且τ2每增加1%，集熱器?效率提高0.38%。因?yàn)椋S著透射率增加，太陽輻射能透過玻璃套管被金屬吸收管吸收的份額增加，同時(shí)減小了玻璃套管反射和吸收的太陽輻射能的份額。而α4與τ2變化1%對(duì)?效率的影響有差異，原因是模型中，一局部輻射能屢次透射玻璃套管，τ2對(duì)這局部的能量份額影響大于α4的影響。圖4選擇性涂層吸收率變化?效率曲線圖5玻璃套管透射率變化熱效率曲線4.2環(huán)境因素對(duì)?效率的影響同樣采用上述典型工況研究，圖6給出了環(huán)境風(fēng)速與?效率的變化規(guī)律。由圖可知，隨著風(fēng)速的提高，集熱器?效率隨之降低，且從自然對(duì)流〔風(fēng)速v=0m/s〕過渡到強(qiáng)迫對(duì)流〔風(fēng)速v=1m/s〕，真空工況和真空破壞工況的?效率分別下降了0.16和0.59%，而隨著風(fēng)速的逐漸提高，?效率降低的幅度隨之減小。由此可見，在長(zhǎng)期運(yùn)行的集熱管真空被破壞時(shí)，無風(fēng)與有風(fēng)兩種換熱方式，對(duì)集熱管的?效率影響較大。圖7給出了太陽輻射強(qiáng)度DNI對(duì)?效率的影響關(guān)系。由圖可知，隨著DNI的增加，集熱器?效率隨之提高，且提高的幅度逐漸降低。圖6環(huán)境風(fēng)速變化?效率曲線圖7DNI變化火?效率曲線4.3HTF流量對(duì)?效率的影響圖8給出了HTF流量與?效率的影響關(guān)系，由圖可知，雖然隨著HTF流量增大，?效率隨之提高，但?效率的提高幅度并不大，流量從25L/min提高到75L/min，?效率只提高了0.32%。因此在實(shí)際運(yùn)行過程中，提高HTF的流量對(duì)?效率的提高沒有明顯效果，而且反而可能增加了泵工，是系統(tǒng)的整體效益下降。因此，對(duì)于HTF流量對(duì)?效率影響，存在一個(gè)最正確流量，是的整體系統(tǒng)的效益最好。-圖8HTF流量變化?效率曲線5結(jié)論本文建立了集熱器一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型和?分析模型，并編制了計(jì)算機(jī)模擬程序。研究了集熱器吸收管選擇性涂層的吸收率、玻璃套管的透射率、太陽輻照強(qiáng)度和HTF流量對(duì)集熱器?效率的影響關(guān)系，揭示了集熱器各傳熱過程的?損失份額大小。得到以下結(jié)論：隨著選擇性涂層的吸收率的增加，集熱器?效率提高，且α4每增加1%，集熱器?效率提高0.37%；隨著透射率的增加，集熱器的?效率隨之提高，且τ2每增加1%，集熱器?效率提高0.38%；隨著風(fēng)速的提高，集熱器?效率隨之降低，且從自然對(duì)流過渡到強(qiáng)迫對(duì)流對(duì)真空破壞的集熱管的?效率影響較大；隨著DNI的增大，集熱管?效率隨之提高，但提高的幅度逐漸減小；隨著HTF流量增大，?效率隨之提高，但?效率的提高幅度并不大，且存在最正確流量使得系統(tǒng)的效益最正確。附表附表1集熱器物性參數(shù)[4]名稱單位大小名稱單位大小玻璃套管外徑D2m反射鏡開口寬度D1m5玻璃套管外壁吸收率α2反射鏡反射率ρ3玻璃套管透射率τ25反射鏡追蹤損失玻璃套管外壁發(fā)射率ε2反射鏡幾何精度玻璃套管內(nèi)徑D3m反射鏡反射率玻璃套管內(nèi)壁發(fā)射率ε3反射鏡潔凈度金屬吸收管外徑D4m集熱管潔凈度金屬吸收管內(nèi)徑D5m集熱管其他損失系數(shù)支架圓周長(zhǎng)Pb[1]m密封頭損失橫截面積Abm2選擇性涂層吸收率α46選擇性涂層發(fā)射率ε40.14附表2符號(hào)對(duì)照表符號(hào)單位含義符號(hào)單位含義TaK環(huán)境溫度ξ56conv吸收管向流體傳熱?損率IW/m2光照強(qiáng)度ξ45cond吸收管外壁向內(nèi)壁導(dǎo)熱?損率TsK太陽外表溫度ξ4conv吸收管外壁向玻璃套管導(dǎo)熱?損率T6K流體溫度ξ4rrad吸收管外壁向玻璃套管輻射?損率Q2absW玻璃套管吸收的熱量ξ4abs吸收管吸熱?損率Q3absW玻璃套管內(nèi)壁吸收的熱量ξbconv支架散熱?損率Q2convW玻璃套管對(duì)流散熱ξ32cond玻璃套管內(nèi)壁向外壁導(dǎo)熱?損率Q2radW玻璃套管外壁向大氣熱輻射熱量ξ3abs玻璃套管內(nèi)壁吸熱?損率Q32condW玻璃套管內(nèi)外表向外外表導(dǎo)熱ξ2conv玻璃套管外壁向環(huán)境導(dǎo)熱?損率Q4convW吸收管向玻璃套管內(nèi)壁導(dǎo)熱ξ2rad玻璃套管外壁向大氣熱輻射?損率Q4radW吸收管外壁向玻璃套管熱輻熱量ξ2abs玻璃套管外壁吸熱?損率Q45condW金屬吸收管外壁向內(nèi)壁導(dǎo)熱熱量ξopt光學(xué)?損率QbconvW支架散熱熱量η集熱器?效率Q56convW流體吸收的熱量參考文獻(xiàn)[1]PriceH,LüpfertE,KearneyD,etal.Advancesinparabolictroughsolarpowertechnology[J].ASMETransactions,JournalofSolarEnergyEngineering,2002,124(2):109–125.[2]R.Forristall.HeatTransferAnalysisandModelingofaParabolicTroughSolarReceiverImplementedinEngineeringEquationSolver[M].TechnicalReport,Oct2003.崔映紅，卑振華.拋物面槽式太陽能集熱器熱力性能研究[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2010.37(3):49~50.[3]M.M.Rolim,N.Fraidenraich,C,Tiba.analyticmodelingofasolarpower