拋物面槽式集熱器?損分析摘要本文針對槽式太陽能集熱器，對集熱管的熱力性能進行建模模擬研究，并驗證了模型的正確性。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、太陽輻照強度等因素對集熱器?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流換熱到強迫對流換熱，集熱器?效率明顯下降；本文研究結果將為槽式太陽能集熱技術的設計與開展提供參考。關鍵詞：槽式太陽能集熱管；?效率；吸收率；透射率；自然對流0引言當前，拋物面槽式太陽能集熱器技術是開展最為成熟、本錢較低的太陽能利?技術，主要應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換裝置，是整個太陽能熱發(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)電研究課題組都對拋物面槽式集熱器熱力性能及損失機理進行研究。目前，對拋物面槽式集熱器的研究根本都側重于熱力學第一定律的熱效率層面，R.Forristall[3]等人首先建立了對集熱管的一維、二維模型的熱力性能研究模型，研究了太陽能輻照強度、環(huán)境風速等因素對集熱器性能的影響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簡化，對集熱管熱力性能進行了數(shù)值研究，計算分析環(huán)形空間真空度、選擇性吸收涂層以及環(huán)境因素對集熱管性能的影響。然而僅從熱力學第一定律角度分析不能反映集熱器的內部可用能損失，不能全面的評價集熱器的熱力性能。高志超[5]從太陽輻照強度、投射角等氣象條件和系統(tǒng)運行溫度對系統(tǒng)性能的影響進行?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?損失，特別是上述研究大多都針對能量的數(shù)量變化考察，沒有針對條件因素變化后，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，并編制了計算程序，對集熱器的?效率、光學?損失和?損進行細化分解計算分析研究，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、太陽輻照強度等因素對集熱器性能的影響，從熱力學第二定律深入揭示了集熱器的?效率和內部各局部?損失份額的變化規(guī)律，從而完善了對槽式集熱器熱力性能的評價體系。1入射太陽輻射能分布模型本文采用TestresultsSEGSLS-2s測試實驗用的集熱管[6]，性能結構參數(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，到達反射鏡上，通過反射鏡反射，再次穿過玻璃套管，到達金屬吸收管上；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，為了簡化模型，假設太陽光入射角為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熱的方式傳入金屬吸收管內壁，金屬吸收管內壁與導熱介質通過對流換熱，把熱量傳遞給導熱介質有用熱量Q6；2〕另一股能量一局部通過支架結構散熱給環(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個能量平衡方程： 金屬吸收管內壁能量平衡方程：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模型驗證本文根據(jù)TestresultsSEGSLS-2solarcollector實測數(shù)據(jù)[6]，與模型計算熱效率比照結果列于表1、表2，從中可以發(fā)現(xiàn)測試效率與模型計算效率在兩種工況下十分接近，產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算是計算結果的位數(shù)保存長度，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%，且最大誤差在實驗的測試誤差范圍內，說明本文所建的模型的精確可靠性。表1模型計算效率與實測工況效率比照表序號DNI〔W/m2〕環(huán)境溫度〔℃〕HTF溫度〔℃〕環(huán)境風速〔m/s〕HTF流量〔L/min〕計算效率〔%〕測試效率〔%〕測試誤差〔±%〕效率誤差〔%〕真空工況123真空破壞工況4563083集熱管?損模型建立與計算3.1集熱管?損模型本文運用熱力學第二定律對集熱管熱量傳遞過程中每個環(huán)節(jié)的可用能損失進行考察，?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]，進行?損模擬研究，并逐一改變單一變量進行考察，計算結果如表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?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)形空間對流?損率(從0%變化為1.92%)；太陽輻射強度和環(huán)境溫度對于?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)境風速對集熱管的影響主要在于真空破壞工況下，集熱管與環(huán)境的對流換熱?損；選擇性涂層吸收率與玻璃套管透射率影響光學?損，且每提高1%，光學?損降低〔1.5%左右〕，因此，有效的提高集熱管的光學效率，對于降低光學?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集熱管光學系數(shù)對?效率的影響2℃℃，環(huán)境風速v：2.9m/s，進行模擬研究[6]。圖4給出了選擇性涂層吸收率α4變化對集熱器?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%。這是因為吸收率增加，使得吸收管吸收的太陽能輻射能增加，傳給HTF的能量增加，同時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%。因為，隨著透射率增加，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?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?效率的影響同樣采用上述典型工況研究，圖6給出了環(huán)境風速與?效率的變化規(guī)律。由圖可知，隨著風速的提高，集熱器?效率隨之降低，且從自然對流〔風速v=0m/s〕過渡到強迫對流〔風速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%，而隨著風速的逐漸提高，?效率降低的幅度隨之減小。由此可見，在長期運行的集熱管真空被破壞時，無風與有風兩種換熱方式，對集熱管的?效率影響較大。圖7給出了太陽輻射強度DNI對?效率的影響關系。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)境風速變化?效率曲線圖7DNI變化火?效率曲線4.3HTF流量對?效率的影響圖8給出了HTF流量與?效率的影響關系，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%。因此在實際運行過程中，提高HTF的流量對?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，對于HTF流量對?效率影響，存在一個最正確流量，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，并編制了計算機模擬程序。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、太陽輻照強度和HTF流量對集熱器?效率的影響關系，揭示了集熱器各傳熱過程的?損失份額大小。得到以下結論：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%；隨著風速的提高，集熱器?效率隨之降低，且從自然對流過渡到強迫對流對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徑D3m反射鏡反射率玻璃套管內壁發(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徑D5m集熱管其他損失系數(shù)支架圓周長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符號對照表符號單位含義符號單位含義TaK環(huán)境溫度ξ56conv吸收管向流體傳熱?損率IW/m2光照強度ξ45cond吸收管外壁向內壁導熱?損率TsK太陽外表溫度ξ4conv吸收管外壁向玻璃套管導熱?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玻璃套管內壁吸收的熱量ξbconv支架散熱?損率Q2convW玻璃套管對流散熱ξ32cond玻璃套管內壁向外壁導熱?損率Q2radW玻璃套管外壁向大氣熱輻射熱量ξ3abs玻璃套管內壁吸熱?損率Q32condW玻璃套管內外表向外外表導熱ξ2conv玻璃套管外壁向環(huán)境導熱?損率Q4convW吸收管向玻璃套管內壁導熱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壁導熱熱量ξopt光學?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[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].華北電力大學學報,2010.37(3):49~50.[3]M.M.Rolim,N.Fraidenraich,C,Tiba.analyticmodelingofasolarpower