李 珂，匡 蕘，仇秋玲

(東南大學(xué) 江蘇省太陽能技術(shù)重點實驗室，南京 210096)

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新能源

一種槽式太陽能聚光集熱器的熱性能實驗研究

李 珂，匡 蕘，仇秋玲

(東南大學(xué) 江蘇省太陽能技術(shù)重點實驗室，南京 210096)

針對一種槽式太陽能集熱器的熱性能進(jìn)行了一系列的實驗研究，確定其室外熱性能測試的實驗系統(tǒng)方案，通過測試實際工況下集熱器運行數(shù)據(jù)，分析集熱器的運行特性。結(jié)果表明：水的流量、太陽輻射強度對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，集熱效率有所降低，最大偏差為3.1%；集熱器熱效率與太陽輻射強度變化趨勢相同，集熱器熱效率最大達(dá)到46.6 %。

槽式太陽能集熱器； 熱損失； 集熱效率

槽式聚光集熱器是整個槽式熱發(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、控制和傳感器)組成。槽式太陽能聚光集熱器作為熱發(fā)電系統(tǒng)能量來源，其成本占電站初期總投資的40%以上，因此提高槽式太陽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30多年的研究，國內(nèi)外已經(jīng)成功研發(fā)了用于槽式太陽能熱發(fā)電的各種結(jié)構(gòu)不同的太陽能聚光集熱器或系統(tǒng)，并分別對此進(jìn)行了大量的理論和實驗研究。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)，通過對整個系統(tǒng)進(jìn)行建模分析；Valenzuela等[2]對一大型的槽式聚光集熱器(長度大于100 m)進(jìn)行了室外光熱性能測試實驗；熊亞選等[3-4]對一大型槽形拋物面聚光集熱器的熱性能進(jìn)行實驗研究。

筆者從理論分析和實驗研究兩個方面來全面研究新型槽式聚光集熱器的熱性能，設(shè)計室外新型槽式太陽能聚光集熱器的熱性能實驗平臺，對集熱器進(jìn)行室外熱性能測試實驗，并通過測試實際工況下集熱器運行數(shù)據(jù)，分析集熱器運行特性。

1 實驗方案

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

本次室外實驗系統(tǒng)原理圖見圖1。首先閥門2、3、4關(guān)閉，打開閥門1、5、6，冷水依次經(jīng)過閥門1和5、流量計、止回閥進(jìn)入槽式太陽能集熱器，水在集熱管中被加熱后流入儲熱水箱。完成某一工況的實驗后，如果水箱中的水沒有達(dá)到某一液位，就打開閥門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)行其他工況的實驗時，需關(guān)閉閥門1、2、5，打開閥門3、4、6，同時打開水泵，通過儲熱水箱中的電加熱器來改變集熱管入口溫度，也可以通過改變流量，來分析對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)最高點安裝排氣閥，同時在集熱管的進(jìn)出口處分別安裝有熱電偶，來測量集熱管內(nèi)流體進(jìn)出口處的溫度變化。

圖1 實驗系統(tǒng)原理圖

2 實驗研究

2.1 實驗系統(tǒng)

實驗所用槽式太陽能集熱器的主要特征參數(shù)見表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)計的槽式太陽能聚光集熱器現(xiàn)場測試實驗平臺。該裝置主要由槽式太陽能集熱器、儲熱水箱、渦街流量計、水泵和數(shù)據(jù)采集儀器等組成。

圖2 槽式太陽能集熱管物理模型

實驗平臺位于張家港樂余鎮(zhèn)，聚光集熱系統(tǒng)由兩個集熱單元組成，三個2 m長直通式金屬-玻璃真空集熱管串聯(lián)而成，每個集熱單元包括兩塊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，采用東西自動跟蹤方式。

2.2 實驗方法

太陽能集熱器的測試方法有穩(wěn)態(tài)測試和動態(tài)測試兩種方法[5]。其中穩(wěn)態(tài)測試方法要求比較嚴(yán)格，需要將太陽輻照度、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)，波動范圍較窄。若要使用該種方法對集熱器進(jìn)行室外熱性能實驗時，外界環(huán)境如環(huán)境溫度和太陽輻照度變化很大，很難維持穩(wěn)定而難以達(dá)到穩(wěn)態(tài)測試的要求，從而使測試周期長。為了克服穩(wěn)態(tài)測試帶來的測試周期長、成本高的缺點，提出了一種動態(tài)測試方法，該方法允許所測的一些參數(shù)有較大范圍地變化和波動。表2為動態(tài)測試和穩(wěn)態(tài)測試方法對實驗條件要求的比較。

表2 動態(tài)測試和穩(wěn)態(tài)測試的實驗條件要求

筆者對集熱器整體性能實驗測試采用動態(tài)測試方法。為獲得槽式太陽能集熱器瞬時效率，試驗采用瞬時法，將系統(tǒng)的兩個集熱器單元作為實驗對象。每隔一定時間測量該時刻的太陽輻射強度、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)每一個選取時間點測量的所有數(shù)據(jù)計算該工況下的瞬時效率。

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)瞬時熱效率ηc可通過下式確定，而式中各個數(shù)值可通過測量儀器直接測量。

(2)

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

(3)

由式(3)可知，要想獲得系統(tǒng)在某個時刻的光學(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，集熱系統(tǒng)就會產(chǎn)生熱損失，溫度越高，熱損失越大。為了減小Ql對ηc和η0的影響，測量時要使傳熱介質(zhì)在集熱管中的平均溫度等于環(huán)境溫度，實驗證明，此時的熱損失比較小，小于0.5%[2]，故可忽略它的影響，此時集熱器光學(xué)效率近似等于集熱效率。

2.3 實驗過程

實驗測試開始前，需要調(diào)整支架位置和焦距，并且確保測試所用的真空集熱管無破損，真空度符合標(biāo)準(zhǔn)，集熱管法蘭連接處密封性良好。布置好各溫度測點的熱電偶，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)采集儀與計算機連接。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，確保在測試期間儀器無遮擋，將數(shù)據(jù)線與計算機連接用來采集數(shù)據(jù)，并確保測量儀器讀數(shù)正常。打開集熱器自動跟蹤系統(tǒng)，檢查跟蹤運行是否正常。每次實驗前都需要對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)備工作完畢后開始槽式太陽能集熱器的性能測試實驗，具體實驗過程如下：

(1) 打開總電源；

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

(3) 開啟管道的閥門，通過調(diào)節(jié)閥門開度大小來調(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自動采集一次，而其他數(shù)據(jù)采集是每隔5 min采集一次；

(5) 實驗數(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，完成該階段實驗。

3 結(jié)果分析

在半自動跟蹤控制下開展槽式太陽能集熱器光-熱性能實驗研究，實驗采用水為傳熱流體，其體積流量為0.65 m3/h。初步實驗結(jié)果見圖3～圖5。

圖3 水的溫度變化

圖4 有效收益熱能變化

圖5 集熱器瞬時熱效率變化

由于進(jìn)水端有段管路沒有包保溫層，管內(nèi)水溫會受環(huán)境溫度的影響而發(fā)生變化，從圖3中可以看出：測試期間水的入口溫度不斷升高，13:55時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與入口溫度一致，變化范圍為10.6～14.2 ℃，出口溫度波動主要是太陽輻射強度和跟蹤誤差造成的。由于受輻射強度的影響，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輻射強度的影響，在輻射強度最大時，其最大值為1 729.4 W。

圖5為集熱器的瞬時熱效率隨時間的變化曲線。從圖中可以看出瞬時熱效率隨太陽輻照強度的增加而增加，隨輻照強度減小而降低，變化范圍為37.1%～46.6%。主要原因是隨輻照強度的增加，金屬集熱管內(nèi)的傳熱流體吸收的太陽輻射強度隨之增加，但是集熱管與環(huán)境之間的熱損失沒有同比增加，從而使集熱效率增加；同時隨著太陽光入射角增大和輻照強度降低，集熱管接收到的太陽光線的長度在變小，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)，太陽聚焦后的焦斑偏離集熱管較少。在整個實驗過程中，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。實驗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)長度減少，熱損失增大，這些都對聚光鏡組的集熱效果產(chǎn)生影響。

不同流量下集熱器瞬時熱效率與太陽直射輻射強度的關(guān)系見圖6，兩個流量所測結(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熱效率與太陽直射輻射強度的關(guān)系

從圖6可以看出：不同流量下集熱器瞬時熱效率隨著太陽能輻射強度的增加而增大，流量在0.65 m3/h時，直射輻射強度從487 W/m2增加到607 W/m2，而集熱器瞬時熱效率從37.1%增加到43.4%；流量在0.32 m3/h時，效率從40.2%增加到45.1%。槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的選址需要對太陽輻射強度進(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，傳熱流體的流量是系統(tǒng)運行過程中重要的參數(shù)，它對系統(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，起到了傳化強熱的效果，但是集熱管熱損失也增加，同時流體流速越大，傳熱流體在集熱管中停留時間就越短，流體不能與集熱管充分換熱。而當(dāng)流速降低時，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輻射，促使進(jìn)出口溫差增大，集熱效率增加。

4 結(jié)語

對槽式太陽能集熱器熱性能實驗平臺進(jìn)行實驗研究，其結(jié)果表明：

(1) 水的流量、太陽輻射強度對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，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輻射強度的變化趨勢相同，峰值均出現(xiàn)在11:45時刻，此時太陽直射輻射強度為635 W/m2，集熱器熱效率為46.6%。

綜上所述，對聚光集熱器進(jìn)行全自動實時跟蹤控制、聚光鏡組各部件進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計優(yōu)化、電站的選址和流量的選取，可有效地改善槽式太陽能熱發(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. 槽式太陽能聚光集熱器光熱性能初步試驗研究[J]. 太陽能學(xué)報,2012,33(12): 2087-2092.

[4] 熊亞選,吳玉庭,馬重芳. 槽式太陽能聚光集熱器光熱效率實驗研究[J]. 工程熱物理學(xué)報,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，研究方向為太陽能熱發(fā)電。

E-mail: 1533823681@qq.com

TK515

A

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