槽式太陽能集熱器集熱性能模擬研究

曹　政， 章智博， 陳九法

(1. 東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 南京 210096；　2. 浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院， 杭州 310006)

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新能源

槽式太陽能集熱器集熱性能模擬研究

曹政1， 章智博2， 陳九法1

(1. 東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 南京 210096；2. 浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院， 杭州 310006)

分析了太陽直射輻射強(qiáng)度、集熱管進(jìn)口流體溫度、集熱管進(jìn)口流體速度三個(gè)因素對(duì)太陽能集熱器熱效率、吸熱管表面和玻璃套管表面最大溫升的影響。結(jié)果表明：集熱器的集熱效率隨太陽直射輻射強(qiáng)度增加、進(jìn)口流體速度增大而增大，隨進(jìn)口流體溫度升高而減小；吸熱管表面最大溫差隨太陽直射輻射強(qiáng)度增加而增大，隨進(jìn)口流體速度增大而減??；隨進(jìn)口流體溫度升高先增大后減小；玻璃套管表面最大溫差隨太陽直射輻射強(qiáng)度增加、進(jìn)口流體溫度升高而增大，隨進(jìn)口流體速度增大而減小。

槽式太陽能集熱器； 數(shù)值模擬； 集熱效率； 太陽直射輻射強(qiáng)度

作為太陽能熱利用技術(shù)的核心部件，太陽能集熱器的性能優(yōu)劣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能、經(jīng)濟(jì)性具有關(guān)鍵影響。槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)是目前全球商業(yè)化運(yùn)行電站中占比最大的技術(shù)形式[1]。

19世紀(jì)90年代國(guó)外就開始了對(duì)槽式太陽能集熱器的開發(fā)與研究：Cheng等[2]采用蒙特卡羅(Monte Carlo)光線追蹤模型，模擬了不同型式槽式集熱器在理想光學(xué)情況和存在光學(xué)誤差的情況下不同的集熱特性，比較了不同型式集熱器對(duì)光學(xué)誤差的敏感程度；Krüger等[3]對(duì)Solitem PTC 1800型槽式太陽能集熱器的光學(xué)性能進(jìn)行了研究，并在工作溫度為 200 ℃時(shí)，采用高壓水作為工質(zhì)，測(cè)試了此集熱器的熱損失；Riffelmann等[4]使用熱流掃描儀(Parascan)對(duì)槽式太陽能集熱器的光學(xué)特性及光學(xué)誤差進(jìn)行了試驗(yàn)分析。

筆者以一套集熱量為100 kW的槽式太陽能集熱系統(tǒng)為對(duì)象，采用Fluent軟件，針對(duì)太陽直射輻射強(qiáng)度、集熱管進(jìn)口流體溫度、集熱管進(jìn)口流體速度三個(gè)因素進(jìn)行了模擬。

1　槽式太陽能集熱器幾何模型設(shè)計(jì)

集熱器地點(diǎn)選擇在南京(北緯32°、東經(jīng)118.8°)，南京市的典型太陽能輻射總量大約為1 325.28 kW·h/(m2·a)，平均日照時(shí)數(shù)達(dá)到2 020 h，屬于太陽能資源可利用區(qū)，具有較好的光熱利用條件。依據(jù)槽式太陽能熱電站的設(shè)計(jì)原則，選擇夏至日(北半球?yàn)?月21日或者6月22日)正午時(shí)刻的太陽輻射強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)集熱器的相關(guān)計(jì)算參數(shù)見表1。

表1　槽式太陽能集熱器相關(guān)計(jì)算參數(shù)

以LS-2型槽式太陽能集熱器[5]為參照進(jìn)行設(shè)計(jì)的集熱管，具體參數(shù)見表2，模擬集熱管的長(zhǎng)度依據(jù)Dudley等[5]的試驗(yàn)取為7.8 m。集熱管的幾何物理模型見圖1。

表2　直通式金屬-玻璃集熱管主要參數(shù)

2　集熱管數(shù)值模型建立及模擬

采用Fluent軟件對(duì)集熱管的傳熱流動(dòng)特性進(jìn)行模擬，所建模型也主要是指Fluent中采取的模型。

2.1 數(shù)學(xué)模型

集熱管內(nèi)傳熱工質(zhì)流動(dòng)換熱首先必須滿足三大基本守恒方程，即質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程，分別表述為[6]：

連續(xù)性方程

(1)

式中：ρ為密度，kg/m3；u為流速，m/s。

動(dòng)量方程

(2)

式中：μ為動(dòng)力黏度，Pa·s。

能量方程

(3)

模擬采用RNGk-ε湍流模型，對(duì)于湍動(dòng)能k和湍流耗散率ε方程分別表述為：

(4)

ε方程

(5)

2.2 數(shù)值求解方法

首先通過Gambit軟件繪制集熱管模型，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，導(dǎo)出網(wǎng)格計(jì)算文件。Fluent選擇三維、雙精度的壓力基求解，導(dǎo)入Gambit輸出的集熱管模型文件。除了前面介紹的三大守恒方程和RNGk-ε湍流計(jì)算模型外，因?yàn)榧療峁艿膫鳠徇^程中涉及輻射傳熱，選擇DO(DiscreteOrdinates)輻射模型。速度與壓力基的耦合采用Simple算法，能量方程、動(dòng)量方程、湍流能動(dòng)方程、輻射方程均采用二階迎風(fēng)格式離散化。能量方程、輻射方程收斂殘差設(shè)置為10-6，其余方程收斂殘差均設(shè)置為10-4。

3　傳熱流動(dòng)數(shù)值模擬結(jié)果與分析

槽式太陽能集熱器在運(yùn)行過程中的傳熱流動(dòng)特性會(huì)受到很多因素的影響，筆者主要模擬太陽直射輻射強(qiáng)度、傳熱流體進(jìn)口溫度及進(jìn)口速度對(duì)集熱器性能的影響。模擬時(shí)，通過假定其他參數(shù)不變，改變需要模擬參數(shù)變量的方法進(jìn)行模擬。

3.1 太陽輻射強(qiáng)度的影響

模擬條件根據(jù)第1節(jié)設(shè)計(jì)的槽式太陽能集熱器的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定(見表1)。假設(shè)空氣溫度為21.2 ℃，環(huán)境風(fēng)速為2.41m/s，室外空氣相對(duì)濕度為60%，天空溫度為7.2 ℃，模擬導(dǎo)熱油進(jìn)口溫度為150 ℃和100 ℃，導(dǎo)熱油流速為1m/s，分別模擬太陽直射輻射強(qiáng)度為300W/m2、450W/m2、600W/m2、750W/m2、900W/m2、1 050W/m2工況下集熱器的傳熱流動(dòng)性能。

圖2給出了集熱器的熱效率隨太陽能直射輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律。

從圖2可以看出：在環(huán)境參數(shù)相同、集熱器進(jìn)口導(dǎo)熱油溫度和速度相同的條件下，隨著太陽直射輻射強(qiáng)度的增加，集熱器的集熱效率隨之增大，但是增幅逐漸降低。通過集熱器的傳熱模型分析其原因，主要是因?yàn)殡S著太陽直射輻射強(qiáng)度的增加，集熱管表面熱流密度增加，集熱管吸收的有用能增加；同時(shí)，熱流密度的增加又會(huì)導(dǎo)致集熱器金屬吸熱管管壁的溫度增加，金屬吸熱管與玻璃套管之間的換熱增加，從而使玻璃套管壁面溫度升高，集熱管的整體熱損失增加；總體趨勢(shì)上，吸熱管吸收的有用能增加比例要大于熱損失的增加比例，因此集熱器效率隨著太陽直射輻射強(qiáng)度的增加而增大。比較Tin=100 ℃和Tin=150 ℃集熱器效率變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口溫度為150℃時(shí)，當(dāng)太陽直射輻射強(qiáng)度較低時(shí)，熱損失增加比例更小，集熱器效率的增幅更大。

當(dāng)太陽直射輻射強(qiáng)度為900 W/m2、流體進(jìn)口溫度為150 ℃、進(jìn)口流速為1 m/s時(shí)，在環(huán)境條件下，模擬得出集熱器的集熱效率為68.65%。

圖3為不同太陽直射輻射強(qiáng)度條件下金屬吸熱管外環(huán)形區(qū)域及玻璃套管溫度分布。

從圖3可以看出：環(huán)形區(qū)域以及玻璃套管的溫度受吸熱管表面熱流密度分布不均勻影響，隨著太陽直射輻射強(qiáng)度的增加，環(huán)形區(qū)域下部的溫度升高尤其明顯。

軸向位置4 m處，金屬吸熱管和玻璃套管表面最大溫差隨太陽直射輻射強(qiáng)度的變化見圖4。

從圖4可以看出：吸熱管和玻璃套管表面最大溫差都隨著太陽直射輻射強(qiáng)度的增加而增大。在導(dǎo)熱油進(jìn)口溫度Tin=100 ℃和Tin=150 ℃情況下，金屬吸熱管表面最大溫差的增加幅度基本相同，但是玻璃套管表面最大溫差在Tin=100 ℃時(shí)增加幅度要小于Tin=150 ℃。

3.2 流體進(jìn)口溫度的影響

模擬條件假設(shè)太陽直射輻射強(qiáng)度為900 W/m2，模擬導(dǎo)熱油流速為1 m/s，其他條件不變，分別模擬導(dǎo)熱油進(jìn)口溫度為87.5 ℃、100 ℃、112.5 ℃、125 ℃、137.5 ℃、150 ℃、162.5 ℃、175 ℃、200 ℃、300 ℃時(shí)集熱器的傳熱流動(dòng)性能(見圖5)。

從圖5可以看出：在太陽直射輻射強(qiáng)度、傳熱流體進(jìn)口速度、環(huán)境參數(shù)相同的條件下，集熱器的集熱效率隨著流體進(jìn)口溫度的升高而降低，并且流體進(jìn)口溫度越高，集熱效率降低得越快。這是因?yàn)楫?dāng)傳熱流體的進(jìn)口溫度升高時(shí)，金屬吸熱管管壁的溫度也相應(yīng)升高，管壁發(fā)射率也相應(yīng)增大，吸熱管與玻璃套管之間的換熱增加，熱損失增加；金屬管壁面溫度越高，發(fā)射率越高，熱損失增大的幅度也越大，因此集熱效率降低得越快。

圖6是不同溫度條件下吸熱管外環(huán)形區(qū)域及玻璃套管在集熱管軸向位置4 m處的溫度分布。

從圖6可以看出：隨著傳熱流體進(jìn)口溫度的升高，環(huán)形區(qū)域及玻璃套管的溫度也相應(yīng)升高，特別是環(huán)形區(qū)域上部的溫度分布。在流體進(jìn)口溫度較低時(shí)，環(huán)形區(qū)域上部只有金屬吸熱管附近的溫度較高，隨著流體進(jìn)口溫度的升高，環(huán)形區(qū)域上部遠(yuǎn)離吸熱管的區(qū)域溫度也顯著升高。而金屬吸熱管下部壁面接受輻射熱流溫度一直很高，因此環(huán)形區(qū)域下部距離吸熱管較遠(yuǎn)的區(qū)域溫度也很高。

圖7給出了集熱管軸向位置4 m處，金屬吸熱管和玻璃套管表面最大溫差隨流體進(jìn)口溫度的變化規(guī)律。從圖7可以看出：玻璃套管表面最大溫差隨傳熱流體進(jìn)口溫度的升高而增大，并且增幅越來越大。金屬吸熱管表面最大溫差隨傳熱流體進(jìn)口溫度的升高先減小后增大。在流體由87.5 ℃變化到162.5 ℃左右的過程中，傳熱量減少的幅度大于對(duì)流傳熱系數(shù)減小的幅度，吸熱管管壁最大溫差減小；在傳熱流體由162.5 ℃左右變化到300 ℃的過程中，傳熱量減少的幅度小于對(duì)流傳熱系數(shù)減小的幅度，吸熱管管壁最大溫差增大。因此，吸熱管表面最大溫差隨著流體進(jìn)口溫度的升高呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。

3.3 流體進(jìn)口速度的影響

相比于其他參數(shù)，傳熱流體進(jìn)口速度對(duì)集熱器的流動(dòng)傳熱性能影響較大，因此分別模擬太陽直射輻射強(qiáng)度Ib=900 W/m2、導(dǎo)熱油進(jìn)口溫度為150 ℃和100 ℃兩種情況下，不同進(jìn)口流速對(duì)集熱器傳熱流動(dòng)性能的影響；Ib=450 W/m2、導(dǎo)熱油進(jìn)口溫度為150 ℃和100 ℃兩種情況下，不同進(jìn)口流速對(duì)集熱器傳熱流動(dòng)性能的影響。其他條件與之前假設(shè)的相同。

圖8給出了集熱器的熱效率隨導(dǎo)熱流體進(jìn)口速度的變化規(guī)律。

從圖8可以看出：在環(huán)境參數(shù)(包括太陽直射輻射強(qiáng)度)和流體進(jìn)口溫度相同時(shí)，集熱器效率隨著傳熱流體進(jìn)口速度的增大先是急劇增大，然后趨于平緩，增幅越來越小。

分別做進(jìn)口溫度Tin=150 ℃、Ib=900 W/m2情況下，不同流速條件下吸熱管和外部環(huán)形區(qū)域在集熱管軸向位置4 m處的溫度分布圖(見圖9)。

從圖9可以看出：不同流體進(jìn)口速度對(duì)吸熱管外的環(huán)形區(qū)域以及玻璃套管的溫度也有很大的影響。當(dāng)流速較低時(shí)，環(huán)形區(qū)域的下部以及玻璃套管的底部溫度較高，即使是遠(yuǎn)離吸熱管的區(qū)域溫度也很高，而環(huán)形區(qū)域的上部只有在距吸熱管很近的地方溫度較高，整個(gè)區(qū)域溫度分布極不均勻。隨著流速增大，環(huán)形區(qū)域以及玻璃套管的上下溫度分布逐漸均勻，當(dāng)流速達(dá)到4 m/s時(shí)，整個(gè)區(qū)域的溫度分布已經(jīng)非常均勻。

圖10給出了集熱管軸向位置4 m處，金屬吸熱管表面最大溫差隨流體進(jìn)口速度的變化規(guī)律。從圖10可以看出：當(dāng)環(huán)境參數(shù)和流體進(jìn)口溫度一定時(shí)，隨著流體進(jìn)口速度的增加，金屬吸熱管表面的最大溫差先急劇減小，然后逐漸趨于平緩。以Ib=900 W/m2、Tin=150 ℃工況下為例，進(jìn)口流速為0.2 m/s時(shí)，吸熱管表面最大溫差可以達(dá)到416.5 K；進(jìn)口流速為1 m/s時(shí)，吸熱管表面最大溫差降到111.3 K；進(jìn)口流速為4 m/s時(shí)，吸熱管表面最大溫差只有36.4 K。

圖11給出了集熱管軸向位置4 m處，玻璃套管表面最大溫差隨流體進(jìn)口速度的變化規(guī)律。

從圖11可以看出：當(dāng)環(huán)境參數(shù)和流體進(jìn)口溫度一定時(shí)，玻璃套管表面最大溫差隨著流體進(jìn)口速度的變化規(guī)律與金屬吸熱管表面最大溫差的變化規(guī)律類似，先急劇減小，然后逐漸趨于平緩。

4　結(jié)語

通過模擬分析太陽直射輻射強(qiáng)度、流體進(jìn)口溫度、流體進(jìn)口速度對(duì)集熱器傳熱性能的影響，主要得出如下結(jié)論：

(1) 隨著太陽直射輻射強(qiáng)度的增加，集熱器的集熱效率逐漸增大，但是增幅逐漸降低；集熱管內(nèi)流體溫升近似線性增加。吸熱管表面和玻璃套管表面存在溫差，隨著太陽直射輻射強(qiáng)度的增加，吸熱管和玻璃套管表面最大溫差都逐漸增大。

(2) 隨著流體進(jìn)口溫度的升高，集熱器的集熱效率逐漸減小。吸熱管與玻璃套管表面溫度隨流體進(jìn)口溫度的升高而升高，集熱管環(huán)形區(qū)域上部溫度升高明顯。吸熱管表面的最大溫差隨流體進(jìn)口溫度升高先減小后增大，對(duì)于Ib=900 W/m2、流體進(jìn)口速度為1 m/s時(shí)，進(jìn)口溫度為162.5 ℃左右，吸熱管表面溫差最小。玻璃套管表面最大溫差隨傳熱流體進(jìn)口溫度的升高而增大，并且增幅越來越大。

(3) 隨著流體進(jìn)口速度的增大，集熱器集熱效率先是急劇增大，然后趨于平緩，增幅越來越小。吸熱管和玻璃套管表面的溫度梯度隨著流體進(jìn)口速度的增大明顯減小，表面最大溫差均隨著流體進(jìn)口速度的增大明顯減小，幅度逐漸減小，并趨于平緩。

(4) 模擬發(fā)現(xiàn)，由于吸熱管表面熱流密度分布不均勻，確實(shí)會(huì)導(dǎo)致吸熱管和玻璃套管表面產(chǎn)生溫度梯度，并且流體進(jìn)口速度越小，吸熱管表面熱流密度越大，吸熱管表面的溫度梯度就越大。

[1] 宋記鋒, 丁樹娟. 太陽能熱發(fā)電站[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2013.

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[4] RIFFELMANN K J, NEUMANN A, ULMER S. Performance enhancement of parabolic trough collectors by solar flux measurement in the focal region[J]. Solar Energy, 2006, 80(10): 1303-1313.

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Simulation on Heat Collection Performance of a Parabolic Trough Collector

Cao Zheng1, Zhang Zhibo2, Chen Jiufa1

(1. School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China;2. Zhejiang Province Institute of Architectural Design and Research, Hangzhou 310006, China)

The effects of following factors on the heat collection efficiency of parabolic trough collector and on the maximal surface temperature rise of both the heat-absorbing tube and the glass sleeve were analyzed, such as the direct solar radiation intensity, the inlet fluid temperature and the inlet fluid velocity, etc. Results show that the heat collection efficiency of solar collector increases with rising direct solar radiation intensity, rising inlet fluid velocity and reducing inlet fluid temperature; the maximal surface temperature difference of heat-absorbing tube increases with rising direct solar radiation intensity and reducing inlet fluid velocity, which first increases and then reduces with the rise of inlet fluid temperature; the maximal surface temperature difference of glass sleeve increases with rising direct solar radiation intensity, rising inlet fluid temperature and reducing inlet fluid velocity.

parabolic trough collector; numerical simulation; heat collection efficiency; direct solar radiation intensity

2016-02-27

曹政(1992—)，男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電、太陽能集熱、有機(jī)朗肯循環(huán)研究。

E-mail: cz_seu@163.com

TK513.3

A

1671-086X(2016)05-0308-06