劉少鋒 楊正武 司鵬飛 戎向陽(yáng) 石利軍

水平軸跟蹤槽式太陽(yáng)能集熱器動(dòng)態(tài)集熱量計(jì)算與分析

劉少鋒1楊正武2司鵬飛2戎向陽(yáng)2石利軍2

（1.中國(guó)城市建設(shè)研究院有限公司 北京 100120；2.中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院 成都 610041）

介紹了兩種槽式單軸太陽(yáng)能集熱跟蹤模式，建立了一種適用于不同跟蹤方式下槽式水平軸集熱器的動(dòng)態(tài)集熱量計(jì)算模型和計(jì)算流程。以拉薩為例詳細(xì)分析了水平東西軸，南北軸追蹤模式下的集熱器效率與集熱量。結(jié)果表明，該地區(qū)槽式水平軸集熱追蹤方式對(duì)集熱器效率的影響很小，對(duì)于供暖系統(tǒng)而言，采用東西軸跟蹤比南北軸跟蹤方式提高約7%的集熱量。

槽式太陽(yáng)能集熱器；水平軸；集熱量；集熱效率

0 引言

隨著全球能源問(wèn)題日漸突出，太陽(yáng)能等可再生能源在全球范圍內(nèi)逐漸興起。槽式太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)因其集熱溫度高、易規(guī)?；葍?yōu)點(diǎn)，目前在城鎮(zhèn)供暖工程中已被廣泛關(guān)注。

目前對(duì)槽式跟蹤太陽(yáng)能集熱器的研究主要集中在傳熱特性研究和數(shù)值模擬方面。Dudley等人[1]通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究了影響拋物面槽式集熱管熱效率、熱損失的各種因素。熊亞選[2]等建立了槽式太陽(yáng)能聚光集熱系統(tǒng)的二維經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?yīng)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的可靠性。高志超[3]針對(duì)30m2槽式太陽(yáng)能集熱試驗(yàn)裝置研究了集熱器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)集熱性能的影響規(guī)律。王金平[4]等人分析了聚光集熱器的傳熱過(guò)程特征，建立不同傳熱階段的一維數(shù)學(xué)模型，分析了太陽(yáng)入射角對(duì)槽式太陽(yáng)能集熱器的傳熱影響。羅繼杰[5]等提出一種槽式太陽(yáng)能供暖方案，并通過(guò)工程實(shí)例分析檢驗(yàn)該技術(shù)的供暖效果。許木成[6]對(duì)槽式聚光集熱器光熱轉(zhuǎn)換過(guò)程的基礎(chǔ)理論及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了概括，提出了一種計(jì)算PTC焦線能流密度分布的方法，并利用Origin軟件對(duì)采用柱面接收器、V形腔體接收器和平面接收器的PTC系統(tǒng)的焦線能流密度分布進(jìn)行了計(jì)算；對(duì)拋物槽式太陽(yáng)能集熱器的余弦損失效應(yīng)和末端損失效應(yīng)進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究；對(duì)槽式太陽(yáng)能系統(tǒng)的跟蹤模式以及跟蹤控制設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了分析研究；設(shè)計(jì)了具有快速粗略和慢速精確跟蹤模式的跟蹤控制系統(tǒng)。

現(xiàn)有研究基本側(cè)重理論分析，在實(shí)際工程應(yīng)用中不能快速指導(dǎo)設(shè)計(jì)計(jì)算，本文通過(guò)建立槽式水平軸跟蹤太陽(yáng)能集熱器動(dòng)態(tài)集熱量計(jì)算數(shù)學(xué)模型，分別分析了槽式水平軸東西軸追蹤與南北軸追蹤集熱器性能參數(shù)，為槽式太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 太陽(yáng)跟蹤計(jì)算模型

1.1 太陽(yáng)跟蹤的物理模型

為提高對(duì)太陽(yáng)能的利用率，槽式跟蹤集熱器在應(yīng)用中需要在方位角和高度角兩個(gè)方位上不斷跟蹤太陽(yáng)。常用的單軸跟蹤方式包括：焦線南北水平布置，東西跟蹤；焦線東西水平布置，南北跟蹤（見(jiàn)圖1），工作原理基本相似。

圖1 常用槽式水平軸聚光系統(tǒng)的跟蹤方式

以圖1（a）為例，跟蹤系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸（或焦線）系東西方向布置，根據(jù)太陽(yáng)赤緯角的變化使柱形拋物面反射鏡繞轉(zhuǎn)軸作俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)，以跟蹤太陽(yáng)，采用這種跟蹤方式時(shí)，一天之中只有正午時(shí)刻太陽(yáng)光與柱形拋物面的母線相垂直，此時(shí)熱流最大。而在早上或下午太陽(yáng)光線都是斜射，所以一天之中熱流的變化比較大。采用單軸跟蹤方式的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

1.2 太陽(yáng)跟蹤的控制方式

太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置是用來(lái)跟蹤太陽(yáng)，使集能器的主光軸始終與太陽(yáng)光線相平行的裝置，在使用中需要在方位角和高度角兩個(gè)方位上不斷跟蹤太陽(yáng)。自動(dòng)跟蹤裝置由傳感器、方位角跟蹤機(jī)構(gòu)、高度角跟蹤機(jī)構(gòu)和自動(dòng)控制裝置組成。當(dāng)太陽(yáng)光線發(fā)生傾斜時(shí)[7]，傳感器輸出傾斜信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)放大后送入控制單元，控制單元開(kāi)始工作，指示執(zhí)行器動(dòng)作調(diào)整太陽(yáng)能集能器，直到太陽(yáng)能集能器對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。

1.3 太陽(yáng)跟蹤的數(shù)學(xué)模型

1.3.1 太陽(yáng)跟蹤角與入射角

圖2 太陽(yáng)光投射到集熱器開(kāi)口面示意圖

于是可得：

即

（1）東西水平軸跟蹤

集熱器繞東西水平軸旋轉(zhuǎn)，槽型開(kāi)口面向南，集熱器方位角為0°，由式（3）可得集熱器的跟蹤角和入射角滿(mǎn)足下列三角函數(shù)關(guān)系式：

集熱器的跟蹤角：

太陽(yáng)光線入射角：

（2）南北水平軸跟蹤

集熱器繞南北水平軸旋轉(zhuǎn)，集熱器方位角上午為-90°，下午為+90°，由式（3）可得集熱器的跟蹤角和入射角滿(mǎn)足下列三角函數(shù)關(guān)系式：

跟蹤角：

太陽(yáng)光線入射角：

1.3.2 槽型開(kāi)口面太陽(yáng)輻射

由于聚光集熱器只能利用槽型開(kāi)口面接收到的直射太陽(yáng)輻射，故槽型開(kāi)口面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度只需計(jì)算直射輻射部分。槽型開(kāi)口面上的太陽(yáng)直射輻射照度為[8]：

2 槽式太陽(yáng)能集熱器動(dòng)態(tài)集熱量計(jì)算方法

2.1 槽式太陽(yáng)能集熱器性能參數(shù)

2.1.1 性能特征

以某品牌槽式集熱器為例，分別測(cè)試了五種不同太陽(yáng)輻射強(qiáng)度下集熱器效率與介質(zhì)（導(dǎo)熱油）溫度間的變化關(guān)系（見(jiàn)圖3）。數(shù)據(jù)表明在同一輻照度下，隨集熱溫度的不斷升高，集熱器效率逐步下降；當(dāng)集熱溫度低于100℃時(shí)，不同輻照度下集熱器效率差異極小，當(dāng)集熱溫度超過(guò)100℃時(shí)，集熱器接收的輻照度越低，集熱效率越低且隨介質(zhì)溫度升高集熱效率下降速率越快。

圖3 某品牌槽式集熱器性能參數(shù)

2.1.2 效率方程

集熱效率是槽式太陽(yáng)能聚光集熱器性能的一個(gè)重要指標(biāo)。為進(jìn)一步研究集熱量計(jì)算方法，通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸，得到如下形式的瞬時(shí)效率方程：

可以看出，對(duì)集熱效率的影響因素主要包括：太陽(yáng)直射輻照強(qiáng)度，太陽(yáng)入射角，導(dǎo)熱油與環(huán)境溫差。

2.2 動(dòng)態(tài)集熱量計(jì)算

2.2.1 計(jì)算模型

通過(guò)式（9）建立的集熱效率方程，供暖季節(jié)有效集熱量的數(shù)學(xué)描述為：

本模型適用于不同跟蹤方式下槽式水平軸集熱器的動(dòng)態(tài)集熱量計(jì)算。

2.2.2 計(jì)算流程

針對(duì)確定的地理區(qū)位，導(dǎo)入典型氣象年（TMY）數(shù)據(jù)庫(kù)，建立槽式水平軸跟蹤太陽(yáng)能集熱量計(jì)算流程，如圖4所示。

圖4 槽式水平軸跟蹤太陽(yáng)能集熱量計(jì)算流程

3 槽式集熱器在拉薩地區(qū)的性能分析

以拉薩為例，采用本文數(shù)學(xué)模型與計(jì)算流程，研究槽式水平追蹤集熱器集熱量計(jì)算與其在該地區(qū)的性能。

拉薩地區(qū)[9]太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈、冬季干燥寒冷、日較差大、采暖時(shí)間長(zhǎng)等特征。拉薩其他氣象參數(shù)如圖7所示，年平均氣溫8.1℃，供暖設(shè)計(jì)室外溫度-7.5℃，最冷月平均溫度為-1.6℃，最熱月平均溫度16.4℃，全年太陽(yáng)輻照量高大7331.2MJ/m2。該地區(qū)全年供暖時(shí)間段約為11月01日～次年3月31日。

圖5 拉薩主要?dú)庀髤?shù)

3.1 集熱器跟蹤角

集熱器追蹤角與焦線布置方式相關(guān)，圖6表述了拉薩集熱器采用東西、南北水平軸跟蹤時(shí)角度的逐時(shí)變化情況。白天全天范圍內(nèi)，東西水平軸追蹤集熱器與水平面夾角范圍45°～75°；南北水平軸追蹤集熱器與水平面夾角范圍15°～85°；正午時(shí)刻夾角最小。

圖6 集熱器與水平面夾角的逐時(shí)變化

3.2 開(kāi)口面接受的輻射量

兩種追蹤方式在典型日開(kāi)口面接受到的輻照量變化如圖7所示。東西水平軸追蹤開(kāi)口面全天輻照量與太陽(yáng)直射輻射全天變化規(guī)律一致，曲線呈拋物狀，中午13:00-14:00最大，最高輻照強(qiáng)度1000W/m2；南北水平軸追蹤開(kāi)口面輻照量全天逐步增大，8:00-11:00快速增長(zhǎng)到600W/m2后基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)，15:00-16:00緩慢增長(zhǎng)到800W/m2后達(dá)到最大。

圖7 兩種跟蹤方式典型日接收的輻照量變化

由圖7可知，典型日條件下東西水平軸追蹤開(kāi)口面接受到的輻照量大于南北水平軸追蹤方式，最高可達(dá)66%，日平均差異約10%。

基于典型日條件下的輻照量變化，將計(jì)算區(qū)間放大至全年，以供暖季與非供暖季分別計(jì)算兩種方式的開(kāi)口面接收的輻射量，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 兩種跟蹤方式全年接收的輻照量變化

結(jié)果表明，全年工況下，東西軸追蹤方式開(kāi)口面輻射量7399.44MJ，南北軸追蹤方式開(kāi)口面輻射量6934.68MJ；供暖季東西軸追蹤方式開(kāi)口面輻射量3441.96MJ，南北軸追蹤方式開(kāi)口面輻射量3249.72MJ。東西軸追蹤方式集熱量較南北軸追蹤方式多5.9%。

3.3 集熱器效率參數(shù)

以集熱介質(zhì)（導(dǎo)熱油）溫度190～200℃為基準(zhǔn)，以典型日工況條件下，分析兩種追蹤方式下集熱器效率，如圖9所示。

圖9 兩種跟蹤方式典型日集熱效率變化

計(jì)算結(jié)果表明，全年周期條件下東西軸追蹤方式集熱器效率約為65.0%，南北軸為64.2%；其中供暖季東西軸追蹤效率約為65.4%，南北軸64.7%。兩種追蹤方式下集熱器效率變化很小。

3.4 集熱量隨時(shí)間的變化

基于槽式集熱器開(kāi)口面逐月輻照度與典型日集熱器效率參數(shù)，計(jì)算兩種追蹤方式全年集熱量，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖10 兩種跟蹤方式全年集熱量變化

結(jié)果表明，東西軸追蹤方式全年集熱量約4809.6MJ，供暖季集熱量約2251MJ；南北軸追蹤方式全年集熱量約4452.06MJ，供暖季集熱量約2102.56MJ；東西軸追蹤方式集熱量較南北軸方式提高了7%。

4 結(jié)論

本文分析了兩種槽式單軸太陽(yáng)能集熱跟蹤模式，建立了一種適用于不同跟蹤方式下槽式水平軸集熱器的動(dòng)態(tài)集熱量計(jì)算模型和計(jì)算流程。以拉薩為例，計(jì)算了東西軸追蹤與南北軸追蹤的集熱量與集熱效率，計(jì)算結(jié)果表明該地區(qū)槽式水平軸集熱追蹤方式對(duì)集熱器效率的影響很小，對(duì)于供暖系統(tǒng)而言，采用東西軸跟蹤比南北軸跟蹤方式提高約7%的集熱量，實(shí)際工程應(yīng)用中采用焦線南北水平布置，東西跟蹤方式更有利于增加系統(tǒng)集熱量。

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Calculation and Analysis of Dynamic Solar Energy Heat Collection by Parabolic trough Horizontal Axis Tracking

Liu Shaofeng1Yang Zhengwu2Si Pengfei2Rong Xiangyang2Shi Lijun2

( 1.China Urban Construction Design & Research Institute Co., Ltd, Beijing, 100120;China Southwest Architecture design and Research Institute Co., Ltd, Chengdu, 610041 )

This paper introduces two kinds of single-axis solar energy heat collection and tracking modes, a heat collection calculation model and calculation flow of horizontal axial collector with grooved surface are established for different regions, different times and different solar radiation intensities. Take Lhasa as an example, the collector efficiency and heat collection of horizontal east-west axis and north-south axis are analyzed in detail, the results show that, the efficiency of slot horizontal shaft collector in this area does not change with the change of tracking mode, with the horizontal layout of north and south focal lines, the east-west tracking mode is more conducive to increasing the heat collection, increasing the proportion by about 7%.

Parabolic trough collector; Horizontal axis; Heat-collecting capacity; Collection efficiency

TU83

B

1671-6612（2020）02-197-05

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：51708532）

劉少鋒（1983.08-），男，工學(xué)學(xué)士，工程師，E-mail：364158040@qq.com

司鵬飛（1984.08-），男，工學(xué)博士，在站博士后，高級(jí)工程師，E-mail：175987342@qq.com

2019-06-14