一種槽式太陽(yáng)能聚光集熱器的熱性能實(shí)驗(yàn)研究

李 珂，匡 蕘，仇秋玲

(東南大學(xué) 江蘇省太陽(yáng)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096)

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新能源

一種槽式太陽(yáng)能聚光集熱器的熱性能實(shí)驗(yàn)研究

李 珂，匡 蕘，仇秋玲

(東南大學(xué) 江蘇省太陽(yáng)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096)

針對(duì)一種槽式太陽(yáng)能集熱器的熱性能進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究，確定其室外熱性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案，通過(guò)測(cè)試實(shí)際工況下集熱器運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析集熱器的運(yùn)行特性。結(jié)果表明：水的流量、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)集熱器熱效率影響很大，流量由0.32 m3/h 增大到0.65 m3/h時(shí)，集熱效率有所降低，最大偏差為3.1%；集熱器熱效率與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化趨勢(shì)相同，集熱器熱效率最大達(dá)到46.6 %。

槽式太陽(yáng)能集熱器； 熱損失； 集熱效率

槽式聚光集熱器是整個(gè)槽式熱發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，一般由拋物面槽式聚光鏡、支架、集熱管、跟蹤系統(tǒng)(包括驅(qū)動(dòng)、控制和傳感器)組成。槽式太陽(yáng)能聚光集熱器作為熱發(fā)電系統(tǒng)能量來(lái)源，其成本占電站初期總投資的40%以上，因此提高槽式太陽(yáng)能聚光集熱器的整體性能是提高光電轉(zhuǎn)換效率、降低成本的關(guān)鍵所在。經(jīng)過(guò)30多年的研究，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)成功研發(fā)了用于槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電的各種結(jié)構(gòu)不同的太陽(yáng)能聚光集熱器或系統(tǒng)，并分別對(duì)此進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究。Kalogiron等[1]研究了以水為工質(zhì)的槽式聚光集熱器產(chǎn)生蒸汽的系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行建模分析；Valenzuela等[2]對(duì)一大型的槽式聚光集熱器(長(zhǎng)度大于100 m)進(jìn)行了室外光熱性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)；熊亞選等[3-4]對(duì)一大型槽形拋物面聚光集熱器的熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

筆者從理論分析和實(shí)驗(yàn)研究?jī)蓚€(gè)方面來(lái)全面研究新型槽式聚光集熱器的熱性能，設(shè)計(jì)室外新型槽式太陽(yáng)能聚光集熱器的熱性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)集熱器進(jìn)行室外熱性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)測(cè)試實(shí)際工況下集熱器運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析集熱器運(yùn)行特性。

1 實(shí)驗(yàn)方案

槽式太陽(yáng)能集熱器室外熱性能實(shí)驗(yàn)的目的是通過(guò)測(cè)量集熱管進(jìn)出口傳熱介質(zhì)的溫度、流量和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度等參數(shù)，獲得集熱器的瞬時(shí)效率，并分析集熱器熱效率的影響因素。由于水方便易得，本實(shí)驗(yàn)選取水作為傳熱介質(zhì)。

本次室外實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1。首先閥門2、3、4關(guān)閉，打開(kāi)閥門1、5、6，冷水依次經(jīng)過(guò)閥門1和5、流量計(jì)、止回閥進(jìn)入槽式太陽(yáng)能集熱器，水在集熱管中被加熱后流入儲(chǔ)熱水箱。完成某一工況的實(shí)驗(yàn)后，如果水箱中的水沒(méi)有達(dá)到某一液位，就打開(kāi)閥門2，關(guān)閉閥門5、6，繼續(xù)向水箱中加水，直到達(dá)到滿足要求的水位。進(jìn)行其他工況的實(shí)驗(yàn)時(shí)，需關(guān)閉閥門1、2、5，打開(kāi)閥門3、4、6，同時(shí)打開(kāi)水泵，通過(guò)儲(chǔ)熱水箱中的電加熱器來(lái)改變集熱管入口溫度，也可以通過(guò)改變流量，來(lái)分析對(duì)集熱器熱效率的影響規(guī)律。為了排出水中的空氣，在系統(tǒng)最高點(diǎn)安裝排氣閥，同時(shí)在集熱管的進(jìn)出口處分別安裝有熱電偶，來(lái)測(cè)量集熱管內(nèi)流體進(jìn)出口處的溫度變化。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)所用槽式太陽(yáng)能集熱器的主要特征參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 槽形拋物面聚光集熱器主要特征參數(shù)

圖2是所設(shè)計(jì)的槽式太陽(yáng)能聚光集熱器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該裝置主要由槽式太陽(yáng)能集熱器、儲(chǔ)熱水箱、渦街流量計(jì)、水泵和數(shù)據(jù)采集儀器等組成。

圖2 槽式太陽(yáng)能集熱管物理模型

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)位于張家港樂(lè)余鎮(zhèn)，聚光集熱系統(tǒng)由兩個(gè)集熱單元組成，三個(gè)2 m長(zhǎng)直通式金屬-玻璃真空集熱管串聯(lián)而成，每個(gè)集熱單元包括兩塊1 m×1.5 m的聚光反射鏡，玻璃之間的間隙為2 mm。聚光器鏡面材料為低鐵超白浮法玻璃。槽形拋物面聚光集熱器南北放置，采用東西自動(dòng)跟蹤方式。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

太陽(yáng)能集熱器的測(cè)試方法有穩(wěn)態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試兩種方法[5]。其中穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法要求比較嚴(yán)格，需要將太陽(yáng)輻照度、進(jìn)水溫度、環(huán)境溫度、流量等都維持恒定在較小的范圍內(nèi)，波動(dòng)范圍較窄。若要使用該種方法對(duì)集熱器進(jìn)行室外熱性能實(shí)驗(yàn)時(shí)，外界環(huán)境如環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻照度變化很大，很難維持穩(wěn)定而難以達(dá)到穩(wěn)態(tài)測(cè)試的要求，從而使測(cè)試周期長(zhǎng)。為了克服穩(wěn)態(tài)測(cè)試帶來(lái)的測(cè)試周期長(zhǎng)、成本高的缺點(diǎn)，提出了一種動(dòng)態(tài)測(cè)試方法，該方法允許所測(cè)的一些參數(shù)有較大范圍地變化和波動(dòng)。表2為動(dòng)態(tài)測(cè)試和穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求的比較。

表2 動(dòng)態(tài)測(cè)試和穩(wěn)態(tài)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)條件要求

筆者對(duì)集熱器整體性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試采用動(dòng)態(tài)測(cè)試方法。為獲得槽式太陽(yáng)能集熱器瞬時(shí)效率，試驗(yàn)采用瞬時(shí)法，將系統(tǒng)的兩個(gè)集熱器單元作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。每隔一定時(shí)間測(cè)量該時(shí)刻的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、風(fēng)速、室外環(huán)境溫度、工質(zhì)流量、進(jìn)出口溫度等數(shù)據(jù)，然后根據(jù)每一個(gè)選取時(shí)間點(diǎn)測(cè)量的所有數(shù)據(jù)計(jì)算該工況下的瞬時(shí)效率。

該集熱系統(tǒng)的有效收益熱能Qu即為照射在聚光器上并被反射到集熱管上的有用太陽(yáng)輻射量，由下式確定：

Qu=m·Δh=m·c·(tout-tin)

(1)

式中：m為集熱管中傳熱流體質(zhì)量流量；Δh為傳熱流體在集熱管中出口與進(jìn)口的焓差；c為傳熱流體比熱容；tout為傳熱流體出口溫度；tin為傳熱流體進(jìn)口溫度。

集熱系統(tǒng)瞬時(shí)熱效率ηc可通過(guò)下式確定，而式中各個(gè)數(shù)值可通過(guò)測(cè)量?jī)x器直接測(cè)量。

(2)

式中：Qs為聚光器接收到的輻射能；Qr為同一時(shí)段內(nèi)接收器得到的能量；Ql為同一時(shí)段內(nèi)接收器對(duì)周圍環(huán)境散熱；Ac為槽式太陽(yáng)能集熱器的開(kāi)口面積；I為太陽(yáng)直接輻射量，由太陽(yáng)直接輻射表直接測(cè)得。

(3)

由式(3)可知，要想獲得系統(tǒng)在某個(gè)時(shí)刻的光學(xué)效率η0就需確定Ql。Ql的大小與系統(tǒng)工作溫度有關(guān)，當(dāng)集熱管內(nèi)傳熱流體高于環(huán)境溫度時(shí)，集熱系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生熱損失，溫度越高，熱損失越大。為了減小Ql對(duì)ηc和η0的影響，測(cè)量時(shí)要使傳熱介質(zhì)在集熱管中的平均溫度等于環(huán)境溫度，實(shí)驗(yàn)證明，此時(shí)的熱損失比較小，小于0.5%[2]，故可忽略它的影響，此時(shí)集熱器光學(xué)效率近似等于集熱效率。

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)測(cè)試開(kāi)始前，需要調(diào)整支架位置和焦距，并且確保測(cè)試所用的真空集熱管無(wú)破損，真空度符合標(biāo)準(zhǔn)，集熱管法蘭連接處密封性良好。布置好各溫度測(cè)點(diǎn)的熱電偶，并確保所有熱電偶與安捷倫數(shù)據(jù)采集儀連接，然后將數(shù)據(jù)采集儀與計(jì)算機(jī)連接。風(fēng)速儀、總輻射表、直射輻射表安裝固定在支架上并調(diào)整水平，確保在測(cè)試期間儀器無(wú)遮擋，將數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接用來(lái)采集數(shù)據(jù)，并確保測(cè)量?jī)x器讀數(shù)正常。打開(kāi)集熱器自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，檢查跟蹤運(yùn)行是否正常。每次實(shí)驗(yàn)前都需要對(duì)槽式聚光反射鏡和集熱管進(jìn)行清理，防止灰塵在發(fā)射鏡上影響集熱器的熱效率。

以上準(zhǔn)備工作完畢后開(kāi)始槽式太陽(yáng)能集熱器的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

(1) 打開(kāi)總電源；

(2) 開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)中各溫度點(diǎn)和氣象條件狀況；

(3) 開(kāi)啟管道的閥門，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度大小來(lái)調(diào)整所需流量，隨后進(jìn)行30 min的預(yù)備期；

(4) 待真空集熱管進(jìn)口測(cè)溫?zé)犭娕嫉淖x數(shù)穩(wěn)定后，采集環(huán)境溫度、風(fēng)速、總輻射量、直射輻射量、傳熱流體進(jìn)出口溫度、流體流量等數(shù)據(jù)。溫度采集是每隔10 s自動(dòng)采集一次，而其他數(shù)據(jù)采集是每隔5 min采集一次；

(5) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集完成后，關(guān)閉集熱器前后閥門；

(6) 保存數(shù)據(jù)，關(guān)閉數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

(7) 關(guān)閉總電源，完成該階段實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)果分析

在半自動(dòng)跟蹤控制下開(kāi)展槽式太陽(yáng)能集熱器光-熱性能實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)采用水為傳熱流體，其體積流量為0.65 m3/h。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3～圖5。

圖3 水的溫度變化

圖4 有效收益熱能變化

圖5 集熱器瞬時(shí)熱效率變化

由于進(jìn)水端有段管路沒(méi)有包保溫層，管內(nèi)水溫會(huì)受環(huán)境溫度的影響而發(fā)生變化，從圖3中可以看出：測(cè)試期間水的入口溫度不斷升高，13:55時(shí)刻之后溫度有所降低，變化范圍為8.8～12.6 ℃，與環(huán)境溫差最大為1.6 K，變化較小。出口溫度的變化趨勢(shì)與入口溫度一致，變化范圍為10.6～14.2 ℃，出口溫度波動(dòng)主要是太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和跟蹤誤差造成的。由于受輻射強(qiáng)度的影響，水的進(jìn)出口溫差先增大后減小，變化范圍為1.4～2.3 K。集熱器有效收益熱能主要受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的影響，在輻射強(qiáng)度最大時(shí)，其最大值為1 729.4 W。

圖5為集熱器的瞬時(shí)熱效率隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出瞬時(shí)熱效率隨太陽(yáng)輻照強(qiáng)度的增加而增加，隨輻照強(qiáng)度減小而降低，變化范圍為37.1%～46.6%。主要原因是隨輻照強(qiáng)度的增加，金屬集熱管內(nèi)的傳熱流體吸收的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度隨之增加，但是集熱管與環(huán)境之間的熱損失沒(méi)有同比增加，從而使集熱效率增加；同時(shí)隨著太陽(yáng)光入射角增大和輻照強(qiáng)度降低，集熱管接收到的太陽(yáng)光線的長(zhǎng)度在變小，從而使集熱效率降低。從圖5中也可以看出：集熱效率在11:45左右發(fā)生突變，這是由于正午時(shí)入射角接近于零，入射角的變化在跟蹤系統(tǒng)的誤差范圍內(nèi)，太陽(yáng)聚焦后的焦斑偏離集熱管較少。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)光斑在集熱管處出現(xiàn)散光現(xiàn)象，使部分光線脫離集熱管，這部分能量不能得到充分應(yīng)用，最終導(dǎo)致集熱器的集熱效率較低，造成這種現(xiàn)象的原因主要是外界因素使聚光鏡部分地方有劃傷現(xiàn)象，從而使反射的光線不能完全聚集到集熱管上。實(shí)驗(yàn)中采用外螺紋式真空集熱管作為集熱元件，使集熱管的光學(xué)長(zhǎng)度減少，熱損失增大，這些都對(duì)聚光鏡組的集熱效果產(chǎn)生影響。

不同流量下集熱器瞬時(shí)熱效率與太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度的關(guān)系見(jiàn)圖6，兩個(gè)流量所測(cè)結(jié)果分別是選擇氣象條件相似的兩天完成。

圖6 不同流量下的集熱器瞬時(shí)熱效率與太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度的關(guān)系

從圖6可以看出：不同流量下集熱器瞬時(shí)熱效率隨著太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度的增加而增大，流量在0.65 m3/h時(shí)，直射輻射強(qiáng)度從487 W/m2增加到607 W/m2，而集熱器瞬時(shí)熱效率從37.1%增加到43.4%；流量在0.32 m3/h時(shí)，效率從40.2%增加到45.1%。槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的選址需要對(duì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度進(jìn)行綜合考慮，以保證系統(tǒng)熱效率的最大化。隨著流量的增加集熱效率有所降低，最大偏差為3.1%。由此可見(jiàn)，傳熱流體的流量是系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中重要的參數(shù)，它對(duì)系統(tǒng)的集熱效率有很大的影響。雖然隨著流速增大，Re增大，湍流程度增強(qiáng)導(dǎo)致流體在集熱管壁面處產(chǎn)生大量漩渦，起到了傳化強(qiáng)熱的效果，但是集熱管熱損失也增加，同時(shí)流體流速越大，傳熱流體在集熱管中停留時(shí)間就越短，流體不能與集熱管充分換熱。而當(dāng)流速降低時(shí)，集熱管熱損失小，傳熱流體可以和集熱管之間充分換熱，使傳熱流體吸收更多太陽(yáng)輻射，促使進(jìn)出口溫差增大，集熱效率增加。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)槽式太陽(yáng)能集熱器熱性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，其結(jié)果表明：

(1) 水的流量、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)集熱器熱效率的影響很大，流量由0.32 m3/h增大到0.65 m3/h時(shí)，集熱效率有所降低，最大偏差為3.1%。

(2) 集熱器熱效率與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化趨勢(shì)相同，峰值均出現(xiàn)在11:45時(shí)刻，此時(shí)太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度為635 W/m2，集熱器熱效率為46.6%。

綜上所述，對(duì)聚光集熱器進(jìn)行全自動(dòng)實(shí)時(shí)跟蹤控制、聚光鏡組各部件進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)優(yōu)化、電站的選址和流量的選取，可有效地改善槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的熱效率。

[1] KALOGIROU S,LLOYD S,WARD J. Modelling,optimisation and performance evaluation of a parabolic trough solar collector steam generation system[J]. Solar Energy,1997,60(1): 49-59.

[2] VALENZUELA L,LóPEZ-MARTíN R,ZARZA E. Optical and thermal performance of large-size parabolic-trough solar collectors from outdoor experiments: A test method and a case study[J]. Energy,2014,70: 456-464.

[3] 熊亞選,吳玉庭,馬重芳,等. 槽式太陽(yáng)能聚光集熱器光熱性能初步試驗(yàn)研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2012,33(12): 2087-2092.

[4] 熊亞選,吳玉庭,馬重芳. 槽式太陽(yáng)能聚光集熱器光熱效率實(shí)驗(yàn)研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào),2012,33(11): 1950-1953.

[5] BS EN 12975-2:2006. Thermal solar systems and components-Solar collector-Part 2: Test methods[S]. British Standards Institution,2006.

Experimental Research on Thermal Performance of a Trough Solar Collector

Li Ke,Kuang Rao,Qiu Qiuling

(Jiangsu Provincial Key Laboratory of Solar Energy Science and Technology, Southeast University,Nanjing 210096,China)

To study the thermal performance of a trough solar collector,a series of studies were carried out so as to design the experimental system for outdoor thermal performance test,and to analyze the operation characteristics of the collector by measuring its operation data under actual working conditions. Results show that both the water flow rate and solar radiation intensity have great influence on the thermal efficiency of the collector,which would reduce to some extent with the maximum deviation of 3.1% when the flow rate increases from 0.32 m3/h to 0.65 m3/h. The thermal efficiency varies in the same trend of solar radiation intensity,and the maximum value may get up to 46.6%.

trough solar collector; heat loss; heat collecting efficiency

2016-10-08；

2016-11-30

李 珂(1993—)，女，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)樘?yáng)能熱發(fā)電。

E-mail: 1533823681@qq.com

TK515

A

1671-086X(2017)04-0245-05