抛物面槽式集热器火用损分析

抛物面槽式集热器㶲损分析摘要本文针对槽式太阳能集热器，对集热管的热力性能进行建模模拟研究，并验证了模型的正确性。从㶲效率角度，研究了集热器吸收管选择性涂层的吸收率、玻璃套管的透射率、太阳辐照强度等因素对集热器㶲效率的影响变化规律，揭示了集热器各传热过程的㶲损失份额大小。结果说明，集热器吸收管选择性涂层的吸收率每提高1%，集热器的㶲效率提高0.37%；玻璃套管的透射率每提高1%，集热器的㶲效率提高0.38%；环境与玻璃套管从自然对流换热到强迫对流换热，集热器㶲效率明显下降；本文研究结果将为槽式太阳能集热技术的设计与开展提供参考。关键词：槽式太阳能集热管；㶲效率；吸收率；透射率；自然对流0引言当前，抛物面槽式太阳能集热器技术是开展最为成熟、本钱较低的太阳能利㶲技术，主要应用于槽式太阳能热发电系统REF_Ref264010855\r\h[1]。抛物面槽式集热器作为光热转换装置，是整个太阳能热发电系统的根底。然而限制槽式太阳能热发电技术开展的重要原因是集热管的光热效率较低〔55%~70%左右〕[2]因此世界各国太阳能热发电研究课题组都对抛物面槽式集热器热力性能及损失机理进行研究。目前，对抛物面槽式集热器的研究根本都侧重于热力学第一定律的热效率层面，R.Forristall[3]等人首先建立了对集热管的一维、二维模型的热力性能研究模型，研究了太阳能辐照强度、环境风速等因素对集热器性能的影响REF_Ref264011542\r\h[5]；熊亚选等人[4]基于R.Forristall所建立的集热管一维模型并作了适当简化，对集热管热力性能进行了数值研究，计算分析环形空间真空度、选择性吸收涂层以及环境因素对集热管性能的影响。然而仅从热力学第一定律角度分析不能反映集热器的内部可用能损失，不能全面的评价集热器的热力性能。高志超[5]从太阳辐照强度、投射角等气象条件和系统运行温度对系统性能的影响进行㶲效率分析，但上述都未深入具体的研究槽式集热管㶲效率、㶲损失以及光学㶲损失，特别是上述研究大多都针对能量的数量变化考察，没有针对条件因素变化后，能量份额的变化角度去深入研究。本文建立了集热管一维稳态传热模型和㶲损分析模型，并编制了计算程序，对集热器的㶲效率、光学㶲损失和㶲损进行细化分解计算分析研究，考察了集热器吸收管选择性涂层的吸收率、玻璃套管的透射率、太阳辐照强度等因素对集热器性能的影响，从热力学第二定律深入揭示了集热器的㶲效率和内部各局部㶲损失份额的变化规律，从而完善了对槽式集热器热力性能的评价体系。1入射太阳辐射能分布模型本文采用TestresultsSEGSLS-2s测试实验用的集热管[6]，性能结构参数如附表1所示，图1是本文所建的槽式集热器入射太阳辐射能一维传递模型图。如下图，太阳能光线被集热器吸收的辐射能可分为3股能量流：1〕太阳辐射能落到集热管上，穿过玻璃套管到达金属吸收管上；2〕太阳辐射能落到集热管上，2次穿过玻璃套管，到达反射镜上，通过反射镜反射，再次穿过玻璃套管，到达金属吸收管上；3〕太阳辐射能直接落到反射镜上，通过反射镜反射，穿过玻璃套管，到达金属吸收管上。图1入射太阳辐射能传递模型2能量传递模型的建立与验证2.1能量传递模型本文建立了一维稳态的集热器能量传递模型，为了简化模型，假设太阳光入射角为0°，管壁温度沿圆周方向没有温差。太阳辐射能到达金属吸热管后分为两股：1〕一局部能量由金属吸收管外壁通过导热的方式传入金属吸收管内壁，金属吸收管内壁与导热介质通过对流换热，把热量传递给导热介质有用热量Q6；2〕另一股能量一局部通过支架结构散热给环境Qb，另一局部能量由金属吸收管传热给玻璃套管后，玻璃套管向环境散失的热量Q4r和Q4c。图2是模拟集热器热力性能的程序框图。2.2能量平衡方程根据能量传递模型，可列出以下4个能量平衡方程： 金属吸收管内壁能量平衡方程：Q56conv=Q45cond；金属吸收管外壁能量平衡方程：Q4abs=Q45cond+Qbconv+Q4rad+Q4conv；玻璃套管内壁能量平衡方程：Q32cond=Q4rad+Q4conv+Q3abs；玻璃套管外壁能量平衡方程：Q2abs+Q32cond=Q2conv+Q2rad。图2程序框图2.3模型验证本文根据TestresultsSEGSLS-2solarcollector实测数据[6]，与模型计算热效率比照结果列于表1、表2，从中可以发现测试效率与模型计算效率在两种工况下十分接近，产生误差的原因可能是传热换热系数的精确性以及程序运算是计算结果的位数保存长度，真空工况的最大效率误差为1.14%，真空破坏工况最大效率误差为1.37%，且最大误差在实验的测试误差范围内，说明本文所建的模型的精确可靠性。表1模型计算效率与实测工况效率比照表序号DNI〔W/m2〕环境温度〔℃〕HTF温度〔℃〕环境风速〔m/s〕HTF流量〔L/min〕计算效率〔%〕测试效率〔%〕测试误差〔±%〕效率误差〔%〕真空工况123真空破坏工况4563083集热管㶲损模型建立与计算3.1集热管㶲损模型本文运用热力学第二定律对集热管热量传递过程中每个环节的可用能损失进行考察，㶲分析模型电路图如图3所示，由图可知，集热管的㶲损失由,12个局部组成。根据㶲效率的定义，传给流体的㶲/太阳辐射的㶲，由以下公式表示：㶲效率η：图3集热管㶲损电路图表2单一输入变量㶲分析表2℃℃[6]，进行㶲损模拟研究，并逐一改变单一变量进行考察，计算结果如表2所示。名称单位典型值变化输入12345678910输入DNIW/m2780Ta℃20T6℃350vm/s0LL/min35α4τ2输出真空工况ξ56conv%ξ45cond%6ξ43rad%2ξ43conv%≈0≈0≈0≈0≈0≈0≈0≈0ξ4abs%ξbconv%ξ32cond%ξ3abs%ξ2abs%921.28ξ2rad%0.220.89ξ2conv%0..27ξopt%η%真空破坏工况ξ56conv%ξ45cond%5ξ43rad%ξ43conv%ξ4abs%ξbconv%ξ32cond%0.14ξ3abs%ξ2abs%ξ2rad%ξ2conv%ξopt%η%由表可知，集热管的主要㶲损失由金属吸收管的吸热㶲损、光学㶲损；其次是玻璃套管㶲损、吸收管热辐射㶲损等。在两种工况下，㶲损变化最明显的是环形空间对流㶲损率(从0%变化为1.92%)；太阳辐射强度和环境温度对于㶲损份额变化的影响不是很大；提高HTF的温度，有效的降低吸收管的吸热㶲损，提高集热管的㶲效率〔1.6%左右〕，主要是提高温度后，HTF的㶲的品味提升很多，但并不意味着提高HTF温度能大大改善集热管性能，HTF的温度受HTF本身特性等诸多因素的影响；环境风速对集热管的影响主要在于真空破坏工况下，集热管与环境的对流换热㶲损；选择性涂层吸收率与玻璃套管透射率影响光学㶲损，且每提高1%，光学㶲损降低〔1.5%左右〕，因此，有效的提高集热管的光学效率，对于降低光学㶲损，提高集热器的整体性能有显著作用。4集热管㶲效率分析4.1集热管光学系数对㶲效率的影响2℃℃，环境风速v：2.9m/s，进行模拟研究[6]。图4给出了选择性涂层吸收率α4变化对集热器㶲效率的影响，由图可知，随着吸收率α4的增加，集热器㶲效率提高，且α4每增加1%，集热器㶲效率提高0.37%。这是因为吸收率增加，使得吸收管吸收的太阳能辐射能增加，传给HTF的能量增加，同时减少了吸收管反射损失。图5给出了玻璃套管透射率τ2与集热器㶲效率的影响关系，由图可知，随着透射率的增加，集热器的㶲效率随之提高，且τ2每增加1%，集热器㶲效率提高0.38%。因为，随着透射率增加，太阳辐射能透过玻璃套管被金属吸收管吸收的份额增加，同时减小了玻璃套管反射和吸收的太阳辐射能的份额。而α4与τ2变化1%对㶲效率的影响有差异，原因是模型中，一局部辐射能屡次透射玻璃套管，τ2对这局部的能量份额影响大于α4的影响。图4选择性涂层吸收率变化㶲效率曲线图5玻璃套管透射率变化热效率曲线4.2环境因素对㶲效率的影响同样采用上述典型工况研究，图6给出了环境风速与㶲效率的变化规律。由图可知，随着风速的提高，集热器㶲效率随之降低，且从自然对流〔风速v=0m/s〕过渡到强迫对流〔风速v=1m/s〕，真空工况和真空破坏工况的㶲效率分别下降了0.16和0.59%，而随着风速的逐渐提高，㶲效率降低的幅度随之减小。由此可见，在长期运行的集热管真空被破坏时，无风与有风两种换热方式，对集热管的㶲效率影响较大。图7给出了太阳辐射强度DNI对㶲效率的影响关系。由图可知，随着DNI的增加，集热器㶲效率随之提高，且提高的幅度逐渐降低。图6环境风速变化㶲效率曲线图7DNI变化火㶲效率曲线4.3HTF流量对㶲效率的影响图8给出了HTF流量与㶲效率的影响关系，由图可知，虽然随着HTF流量增大，㶲效率随之提高，但㶲效率的提高幅度并不大，流量从25L/min提高到75L/min，㶲效率只提高了0.32%。因此在实际运行过程中，提高HTF的流量对㶲效率的提高没有明显效果，而且反而可能增加了泵工，是系统的整体效益下降。因此，对于HTF流量对㶲效率影响，存在一个最正确流量，是的整体系统的效益最好。-图8HTF流量变化㶲效率曲线5结论本文建立了集热器一维稳态传热模型和㶲分析模型，并编制了计算机模拟程序。研究了集热器吸收管选择性涂层的吸收率、玻璃套管的透射率、太阳辐照强度和HTF流量对集热器㶲效率的影响关系，揭示了集热器各传热过程的㶲损失份额大小。得到以下结论：随着选择性涂层的吸收率的增加，集热器㶲效率提高，且α4每增加1%，集热器㶲效率提高0.37%；随着透射率的增加，集热器的㶲效率随之提高，且τ2每增加1%，集热器㶲效率提高0.38%；随着风速的提高，集热器㶲效率随之降低，且从自然对流过渡到强迫对流对真空破坏的集热管的㶲效率影响较大；随着DNI的增大，集热管㶲效率随之提高，但提高的幅度逐渐减小；随着HTF流量增大，㶲效率随之提高，但㶲效率的提高幅度并不大，且存在最正确流量使得系统的效益最正确。附表附表1集热器物性参数[4]名称单位大小名称单位大小玻璃套管外径D2m反射镜开口宽度D1m5玻璃套管外壁吸收率α2反射镜反射率ρ3玻璃套管透射率τ25反射镜追踪损失玻璃套管外壁发射率ε2反射镜几何精度玻璃套管内径D3m反射镜反射率玻璃套管内壁发射率ε3反射镜洁净度金属吸收管外径D4m集热管洁净度金属吸收管内径D5m集热管其他损失系数支架圆周长Pb[1]m密封头损失横截面积Abm2选择性涂层吸收率α46选择性涂层发射率ε40.14附表2符号对照表符号单位含义符号单位含义TaK环境温度ξ56conv吸收管向流体传热㶲损率IW/m2光照强度ξ45cond吸收管外壁向内壁导热㶲损率TsK太阳外表温度ξ4conv吸收管外壁向玻璃套管导热㶲损率T6K流体温度ξ4rrad吸收管外壁向玻璃套管辐射㶲损率Q2absW玻璃套管吸收的热量ξ4abs吸收管吸热㶲损率Q3absW玻璃套管内壁吸收的热量ξbconv支架散热㶲损率Q2convW玻璃套管对流散热ξ32cond玻璃套管内壁向外壁导热㶲损率Q2radW玻璃套管外壁向大气热辐射热量ξ3abs玻璃套管内壁吸热㶲损率Q32condW玻璃套管内外表向外外表导热ξ2conv玻璃套管外壁向环境导热㶲损率Q4convW吸收管向玻璃套管内壁导热ξ2rad玻璃套管外壁向大气热辐射㶲损率Q4radW吸收管外壁向玻璃套管热辐热量ξ2abs玻璃套管外壁吸热㶲损率Q45condW金属吸收管外壁向内壁导热热量ξopt光学㶲损率QbconvW支架散热热量η集热器㶲效率Q56convW流体吸收的热量参考文献[1]PriceH,LüpfertE,KearneyD,etal.Advancesinparabolictroughsolarpowertechnology[J].ASMETransactions,JournalofSolarEnergyEngineering,2002,124(2):109–125.[2]R.Forristall.HeatTransferAnalysisandModelingofaParabolicTroughSolarReceiverImplementedinEngineeringEquationSolver[M].TechnicalReport,Oct2003.崔映红，卑振华.抛物面槽式太阳能集热器热力性能研究[J].华北电力大学学报,2010.37(3):49~50.[3]M.M.Rolim,N.Fraidenraich,C,Tiba.analyticmodelingofasolarpower