太陽能腔式吸熱器光熱轉(zhuǎn)換特性及其在油田上的應(yīng)用

毛前軍，謝 鳴，帥 永，談和平

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.黑龍江省高校防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318）

0 引言

隨著我國(guó)油田相繼進(jìn)入高含水開采后期和生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，油田能耗總量巨大，節(jié)能形勢(shì)嚴(yán)峻，節(jié)能降耗需求日益迫切.太陽能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源，具有取之不盡、用之不竭的優(yōu)點(diǎn)，高效收集和利用是太陽能產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；年P(guān)鍵所在［1-2］.

多碟太陽能聚光系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)太陽能高效光熱轉(zhuǎn)換的有效方式之一.多碟太陽能聚光系統(tǒng)光熱轉(zhuǎn)換效率研究手段主要包括數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試.Henden L等［3］針對(duì)兩種不同的太陽能吸熱器進(jìn)行效率實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明在吸熱器面積為30～100m2的條件下效率在22%～45%之間變化.Janjai S等［4］介紹太陽輻射強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)熱效率的重要作用，采用衛(wèi)星數(shù)據(jù)測(cè)試泰國(guó)不同城市、不同季節(jié)的逐時(shí)太陽輻射強(qiáng)度，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，平方根誤差在10%以內(nèi).Yao Z H等［5］采用HFLD軟件，計(jì)算中國(guó)首座1MW中央吸熱器系統(tǒng)定日鏡場(chǎng)布置設(shè)計(jì)和屬性，建立太陽能鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型及各部分之間的耦合關(guān)系，并基于能量守恒定律數(shù)值模擬日平均和年平均光電轉(zhuǎn)換量.David B等［6］總結(jié)包括聚焦太陽能集熱器、拋物線槽式集熱器、定日?qǐng)黾療崞鳌⒕€性菲涅爾透鏡、拋物線碟式集熱器、聚集光伏、聚焦太陽能熱電技術(shù)、熱能儲(chǔ)存、能量循環(huán)及其應(yīng)用等.Su Y等［7］分析澳門地區(qū)太陽輻照強(qiáng)度的日變化規(guī)律和年變化規(guī)律，建立理論計(jì)算模型，研究太陽能系統(tǒng)的效率計(jì)算方法.Panwar N L等［8］以拋物線碟式太陽能系統(tǒng)加熱熱水為研究對(duì)象，對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)出口能量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，計(jì)算該系統(tǒng)的熱效率，拋物線碟式太陽能系統(tǒng)的最大熱效率為32.97%.Reddy K S等［9］認(rèn)為太陽能拋物線碟式集熱器是所有聚焦太陽能系統(tǒng)中最重要和最有效的技術(shù)手段之一，拋物線碟式太陽能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和位置直接影響系統(tǒng)輸出能量的大小，以印度58個(gè)位置測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立輸出能量與朝向（東西、南北）、緯度和運(yùn)行時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系.

近年來，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及對(duì)能源需求的增加，我國(guó)也對(duì)多碟太陽能聚光系統(tǒng)展開相關(guān)研究.劉志剛等［10］根據(jù)碟式聚光鏡聚光后的焦平面處輻射能能流分布圖，以及關(guān)鍵尺寸對(duì)各種熱量損失的影響，設(shè)計(jì)一種新型高效腔式吸熱器.方嘉賓等［11］采用蒙特卡洛法，對(duì)一個(gè)開口大且內(nèi)部開有U型氣體加熱通道的太陽能腔式吸熱器進(jìn)行熱流分布數(shù)值模擬.杜勝華等［12］以大型實(shí)時(shí)追蹤碟式太陽能反射器為研究對(duì)象，采用蒙特卡洛射線蹤跡法研究太陽光不平行度與定向跟蹤精度對(duì)聚光性能的影響.王志峰等［13］對(duì)全玻璃真空管空氣集熱器進(jìn)行數(shù)值模擬，研究物理模型、數(shù)學(xué)模型及求解條件等.李鐵等［14］給出一種太陽能斯特林機(jī)用新型吸熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于綜合分析方法設(shè)計(jì)可以將工質(zhì)進(jìn)行分流及匯集的頂蓋.熊亞選等［15］建立槽式太陽能集熱管傳熱損失性能計(jì)算分析的二維穩(wěn)態(tài)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)槽式太陽能集熱管傳熱損失的性能進(jìn)行數(shù)值模擬.

腔式吸熱器是太陽光熱轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備之一，直接影響系統(tǒng)的效率.筆者以油田規(guī)?；锰柲転楸尘?，基于蒙特卡洛射線蹤跡法對(duì)腔式吸熱器內(nèi)表面熱流密度進(jìn)行數(shù)值模擬，設(shè)計(jì)一種新型太陽能腔式吸熱器，并對(duì)吸熱器出口水溫是否滿足油田需求進(jìn)行計(jì)算，為太陽能吸熱器在油田實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；峁┲С?

1 數(shù)值模擬方法

1.1 物理模型

多碟太陽能聚光系統(tǒng)物理模型分為12個(gè)表面（見圖1）.太陽光線從假想發(fā)射面發(fā)射出來，投射到拋物線碟面上，然后大部分光線通過聚焦后被反射到腔式吸熱器.該吸熱器放置在拋物線碟面的焦點(diǎn)處，光線進(jìn)入吸熱器后大部分光線被吸收或者多次反射后被吸收，少量光線從吸熱器開口處逃逸出去.整個(gè)太陽光線假設(shè)在一個(gè)很大的封閉空腔里面完成，封閉腔是由6個(gè)表面方程組成的一個(gè)立方體結(jié)構(gòu).圓柱形腔式吸熱器的側(cè)表面分為兩個(gè)表面（內(nèi)側(cè)和外側(cè)），表面方程相同，法向向量相反.同時(shí)，焦面也假設(shè)為兩個(gè)面，當(dāng)光線從聚光器入射進(jìn)吸熱器時(shí)稱為第8表面，當(dāng)光線從吸熱器中逃逸出去時(shí)稱為第9表面.

數(shù)值模擬基于Fortran95語言，系統(tǒng)由12個(gè)表面組成，太陽光線光熱轉(zhuǎn)換是在圓柱形腔式吸熱器里實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)表面方程的表達(dá)式編號(hào)見圖1，具體方程：

表面1：z＋11 000＝0；表面2：z-11 000＝0；表面3：y＋11 000＝0；表面4：y-11 000＝0；表面5：x-11 000＝0；表面6：x＋11 000＝0；表面7：x2＋y2-13 000z＝0；表面8：x-3 250＝0；表面9：z-3 250＝0；表面10：x2＋y2-10 000＝0；表面11：x2＋y2-10 000＝0；表面12：z-260＝0.

1.2 數(shù)學(xué)模型

采用蒙特卡洛射線蹤跡法編程求解.該方法是一種經(jīng)典的概率模型計(jì)算方法，其概率模型分為漫射方向概率模型、發(fā)射點(diǎn)概率模型、光線方向概率模型、光線吸收或反射模型［16］.

1.2.1 漫射方向概率模型

太陽光線在集熱器鏡面發(fā)生漫反射時(shí)，反射方向用當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系O＊X＊Y＊Z＊中的天頂角θ和圓周角φ表示，根據(jù)Lambert定律得出θ和φ的概率模型為

式中：Rθ和Rφ分別為天頂角θ和圓周角φ的隨機(jī)數(shù).

1.2.2 發(fā)射點(diǎn)概率模型

在直角坐標(biāo)系下，半徑為r的圓形表面的發(fā)射點(diǎn)模型為

1.2.3 光線方向的概率模型

根據(jù)Lambert定律，在計(jì)算中太陽光線方向的概率模型為

1.2.4 光線吸收或反射判斷

在數(shù)值模擬過程中，需要判斷光線是反射還是吸收.如果光線被反射，同時(shí)還需要判斷是漫反射還是鏡反射，兩者的計(jì)算分別采用不同的計(jì)算子程序.當(dāng)太陽光線的反射次數(shù)超過30次，則認(rèn)為該光線可以忽略不計(jì)，即光線的能量值幾乎為0，其他情況需要不斷的進(jìn)行光線跟蹤.當(dāng)太陽光線被表面吸收時(shí)，只需統(tǒng)計(jì)光線的數(shù)目而不用繼續(xù)跟蹤.

2 數(shù)值模擬結(jié)果

基于蒙特卡洛射線蹤跡法數(shù)值模擬參數(shù)：吸熱器內(nèi)壁吸收率為0.65，聚光鏡表面反射率為0.9，拋物線碟式聚能器焦距為3 250mm，聚能器半徑為2 600mm，太陽輻射強(qiáng)度為1 100W／m2，聚光器的面型誤差為0mrad.吸熱器內(nèi)熱流密度三維數(shù)值模擬見圖2，吸熱器內(nèi)表面的熱流密度沿吸熱器高度方向的曲線見圖3.

由圖2和圖3可以看出：（1）吸熱器腔內(nèi)的熱流密度沿高度方向基本呈正態(tài)分布，沿圓周方向?qū)ΨQ.（2）吸熱器內(nèi)熱流密度主要分布在高度方向75～260mm之間，高度方向?yàn)?～75mm之間熱流密度很小.（3）太陽輻射強(qiáng)度為1 100W／m2，最大熱流密度為0.22MW／m2時(shí)，系統(tǒng)的聚光比為200.（4）熱流密度最大峰值出現(xiàn)在高度方向130mm處.

為驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果可靠性，采用文獻(xiàn)［17］模型計(jì)算太陽能腔式吸熱器的反射損失，太陽能腔式吸熱器有效吸收率αcov為

式中：αw為腔體壁面材料對(duì)太陽輻射的吸收系數(shù)；A1為太陽能腔式吸熱器開口面積；Aw為太陽能腔式吸熱器內(nèi)表面積.

將相關(guān)參數(shù)（αw＝0.65，A1＝0.03，Aw＝0.156）代入式（4）進(jìn)行計(jì)算，有效吸收率為90.6%.采用文中蒙特卡洛射線蹤跡法計(jì)算的有效吸收率為88.9%，兩者誤差為1.9%.

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 應(yīng)用流程設(shè)計(jì)

油田集輸系統(tǒng)主要包括中轉(zhuǎn)站和計(jì)量間.中轉(zhuǎn)站的主要設(shè)備是加熱爐，從加熱爐出來的熱水分別輸送到計(jì)量間或者各個(gè)油井，熱水與油井產(chǎn)出液混合后提高混合物的溫度，然后輸送到中轉(zhuǎn)站.經(jīng)過油水分離器分離后的冷水經(jīng)過凈化后被重新輸入到加熱爐進(jìn)行加熱，以實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用.采用碟式太陽能系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的加熱爐，碟式太陽能系統(tǒng)在油田集輸工藝?yán)昧鞒桃妶D4.

3.2 油田腔式吸熱器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種新型太陽能吸熱器，結(jié)構(gòu)見圖5.吸熱器的形狀為圓柱形，水平放置，中間是介質(zhì)水，低溫水從上部中間處垂向進(jìn)入，高溫水從下部中間垂向流出.其結(jié)構(gòu)參數(shù)：高度為260mm，腔內(nèi)徑200mm，外徑為280mm，入口水溫度為30℃.

3.3 腔式吸熱器出口水溫計(jì)算

根據(jù)熱流密度模擬結(jié)果，對(duì)吸熱器的出口水溫進(jìn)行計(jì)算.假設(shè)入口水溫為30℃，出口水溫為t，考慮油田運(yùn)行工況，需要保證太陽能腔式吸熱器出口溫度在50℃～90℃之間.

太陽能腔式吸熱器的熱損失包括腔內(nèi)空氣的對(duì)流和輻射損失，以及由安裝引起的腔體外部絕熱材料的導(dǎo)熱損失.輻射損失取決于腔體的壁面溫度、形狀因素和吸熱器壁面的發(fā)射率／吸收率，導(dǎo)熱損失取決于吸熱器溫度和絕熱材料.輻射和導(dǎo)熱損失與腔體的傾斜度無關(guān).對(duì)流熱損失取決于腔內(nèi)空氣溫度、腔體的傾斜度及外部的風(fēng)條件，計(jì)算條件最為復(fù)雜.根據(jù)文獻(xiàn)［18］計(jì)算模型，對(duì)流熱損失占吸熱器總吸收熱量的10%，因此對(duì)流熱損失在數(shù)值模擬時(shí)可以取為總吸熱量的10%.根據(jù)文獻(xiàn)［19］研究結(jié)果，導(dǎo)熱損失占總損失的2%以下，通?？梢院雎?當(dāng)太陽能腔式吸熱器的開口處采用石英玻璃進(jìn)行光學(xué)遮擋，輻射熱損失也可以忽略.在數(shù)值模擬結(jié)果中，可以通過擬合曲線求解新型太陽能腔式吸熱器總吸熱量為13.045kW.油田需要單井摻水為0.5m3／h，由能量守恒方程解溫差為Δt＝20.2℃，經(jīng)過太陽能腔式吸熱器加熱后出口水溫為t＝50.2℃，能夠滿足油田需要.

4 結(jié)論

（1）建立多太陽能腔式吸熱器的物理模型和數(shù)學(xué)模型，編寫基于蒙特卡洛射線蹤跡法的數(shù)值模擬程序；對(duì)圓柱形腔式吸熱器熱流分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，熱流密度最大峰值出現(xiàn)在高度方向130mm處，系統(tǒng)的實(shí)際聚光比為200.

（2）給出油田利用多碟聚光太陽能系統(tǒng)流程，設(shè)計(jì)一種新型油田太陽能腔式吸熱器，高度為260mm，腔內(nèi)徑為200mm，外徑為280mm.

（3）吸熱器出口水溫達(dá)到50.2℃，能夠滿足油田工程需要，表明油田利用太陽能聚光系統(tǒng)的可行性，為油田產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；茝V太陽能提供借鑒.

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