槽式太陽(yáng)能集熱器設(shè)計(jì)研究

魯紅光 馬祿彬 楊曉軍

摘要：指出了槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)核心在于通過(guò)聚光集熱器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能將水加熱成過(guò)熱蒸汽。從聚光集熱著手，分析了槽形拋物面的光孔面上直射輻照度的計(jì)算方法，對(duì)集熱器的有用能量收益及熱損進(jìn)行了研究，為槽式太陽(yáng)能集熱器設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能;太陽(yáng)能輻射;聚光集熱器;換熱器

中圖分類(lèi)號(hào)：TK513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2019）18-0196-02

1引言

太陽(yáng)能的特點(diǎn)是能量密度較低，為了獲取較高的集熱溫度，就必須通過(guò)聚光集熱來(lái)實(shí)現(xiàn)，而槽式太陽(yáng)能集熱器由于在較高的溫度下仍能保持較高的集熱效率，引起了人們的重視，并在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。高溫蒸汽可用于發(fā)電，而低溫蒸汽可用于工業(yè)應(yīng)用、醫(yī)療衛(wèi)生和海水淡化。通過(guò)槽式太陽(yáng)能聚光集熱系統(tǒng)產(chǎn)生蒸汽通常有兩種方法：①直接產(chǎn)生蒸汽的DSG系統(tǒng)。②傳熱流體在集熱器內(nèi)循環(huán)加熱，在換熱器中將水加熱成高溫蒸汽的雙回路系統(tǒng)。

這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。在DSG系統(tǒng)中，少了換熱系統(tǒng)，降低了成本，當(dāng)沸騰發(fā)生時(shí)壓降降低，從而降低了電力消耗。此外，潛熱傳遞過(guò)程將整個(gè)太陽(yáng)能集熱器的溫升降至最低，從而降低了熱應(yīng)力，但穩(wěn)定性較差，主要是接收管沸騰段周向溫差大，會(huì)產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力。為了克服DSG系統(tǒng)的缺點(diǎn)，采用傳熱流體循環(huán)的系統(tǒng)，通過(guò)換熱器產(chǎn)生蒸汽，這種方法是太陽(yáng)能蒸汽發(fā)電系統(tǒng)中最主要的方法。傳熱流體系統(tǒng)壓力低，控制簡(jiǎn)單，然而，傳熱流體大多數(shù)是易燃的，且相對(duì)昂貴，還存在污染問(wèn)題。此外，由于水的傳熱特性比傳熱流體好得多，與使用DSG系統(tǒng)相比，需要更高的流速、更高的傳熱溫差和更大的泵功率才能獲得等效的能量輸送量。更高的接收管溫度對(duì)于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效的熱交換也是必要的，這會(huì)導(dǎo)致集熱器效率降低。

通過(guò)對(duì)槽式太陽(yáng)能聚光集熱系統(tǒng)進(jìn)行分析研究表明，投射在集熱器上的太陽(yáng)總輻射中僅有48.6%的太陽(yáng)輻射能量用于蒸汽發(fā)電，其余能量以不同的形式流失：①集熱損失（41.5%）、②散熱損失（6.9%）和③由于將水從環(huán)境溫度提高到100℃消耗的能量（2.2%）和支架散熱（0.5%）而造成的能源損失。

2太陽(yáng)能蒸汽產(chǎn)生模型

2.1槽式太陽(yáng)能聚光集熱系統(tǒng)PTC

PTC的基本元件包括①位于聚光器焦線上的金屬接收管，②同心玻璃罩管，③拋物面聚光器。PTC是將太陽(yáng)直接輻射反射到金屬接收管，加熱接收管中傳熱流體。在所有太陽(yáng)能集熱技術(shù)中，PTC被認(rèn)為是高性能太陽(yáng)能聚光集熱系統(tǒng)，可以提供高達(dá)400℃的高溫。接收管通常是一根金屬管，包裹在玻璃罩管中，夾層抽真空，以最大限度地減少散熱損失。在金屬管表面涂上選擇性吸收涂層，以增強(qiáng)吸收和降低發(fā)射率。槽型拋物面反光鏡根據(jù)其采光方式分為東西向放置、南北向放置。采用單軸跟蹤，跟蹤方式根據(jù)控制類(lèi)型可分為光敏定日、公式定日、混合控制，其中混合控制跟蹤精度最高。

2.2太陽(yáng)輻射計(jì)算

首先要確定投射到聚光器上的太陽(yáng)能總輻射，在選擇合適的跟蹤系統(tǒng)時(shí)，選址、應(yīng)用季節(jié)、電站運(yùn)行情況是需要考慮的關(guān)鍵因素。為了計(jì)算投射到聚光器上的太陽(yáng)能總輻射，定義以下幾個(gè)角度。

（1）地理緯度ψ：赤道以北為正，以南為負(fù)，-90°≤ψ≤90°;

（2）太陽(yáng)赤緯δ：是地球赤道平面與太陽(yáng)和地球中心的連線之間的夾角，赤緯角的日變化可用下式近似計(jì)算為：

在4種模式中，模式3南北水平布置單軸跟蹤為目前最常用的模式。

2.3PTC的熱性能分析

圖1為聚光集熱物理模型和熱網(wǎng)，為分析方便，假設(shè)如下：集熱管溫度Tp和玻璃罩管溫度Tg在橫截面上均勻;在玻璃罩管與接收管之間為真空，其間對(duì)流換熱忽略不計(jì);玻璃罩管與拋物線型反射鏡面間的對(duì)流與輻射換熱為O;金屬接收管導(dǎo)熱系數(shù)大，管壁熱阻忽略不計(jì)。

依據(jù)熱平衡原理，建立集熱器瞬時(shí)能量平衡方程，求得集熱器的有用能量收益Qu（w）為：

3結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)槽式太陽(yáng)能聚光集熱系統(tǒng)進(jìn)行分析，采用傳熱流體與水、蒸汽雙回路系統(tǒng)目前更適合太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，在集熱器的布置上，采用南北向水平布置單軸跟蹤，跟蹤控制采用光敏定日和公式定日相結(jié)合的混合控制，使控制跟蹤精度更高。在對(duì)集熱器入射角的計(jì)算上引進(jìn)了國(guó)外經(jīng)驗(yàn)公式，使四種布置的槽形拋物面的光孔面上直射輻照度計(jì)算更加方便。通過(guò)建立聚光集熱物理模型和熱網(wǎng)，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算集熱管熱損失，從而得出集熱器的有用能量收益，為槽式太陽(yáng)能集熱器設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。