抛物面槽式集热器?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?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?效率的影响变化规律，揭示了集热器各传热过程的?损失份额大小。结果表明，集热器吸收管选择性涂层的吸收率每提高1%，集热器的?效率提高0.37%；玻璃套管的透射率每提高1%，集热器的?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?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发展提供参考。
关键词：槽式太阳能集热管；?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发展最为成熟、成本较低的太阳能利?技术，主要应用于槽式太阳能热发电系统0。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基础。然而限制槽式太阳能热发电技术发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基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错误！未找到引用源。；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?效率分析，但上述都未深入具体的研究槽式集热管?效率、?损失以及光学?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?损分析模型，并编制了计算程序，对集热器的?效率、光学?损失和?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?效率和内部各部分?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Test results SEGS LS-2 s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。如图所示，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）一部分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）另一股能量一部分通过支架结构散热给环境Qb，另一部分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：
1、金属吸收管内壁能量平衡方程：Q56conv=Q45cond；
2、金属吸收管外壁能量平衡方程：Q4abs=Q45cond+Qbconv+Q4rad+Q4conv； 3、玻璃套管内壁能量平衡方程：Q32cond=Q4rad+Q4conv+Q3abs； 4、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Test results SEGS LS-2 solar collector实测数据[6]，与模型计算热效率对比结果列于表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留长度，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对比表
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
1 2 3 4 5 6
903.2 937.9 982.3 870.4 896.4 906.7
31.1 28.8 24.3 29.1 30.0 31.7
364.95 307.35 208.5 353.55 259.25 308
4.2 1.0 2.5 0.6 0.9 0.0
56.3 55.5 49.1
真空破坏工况
56.1 55.2 55.4
60.03 64.13 63.49
59.40 65.5 62.58
2.12 1.80 1.79
0.63 1.37 0.91
64.31 66.84 69.14
63.82 67.98 70.17
2.36 1.86 1.81
0.49 -1.14 -1.03
3 集热管?损模型建立与计算
3.1 集热管?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，?分析模型电路图如图3所示，由图可知，集热管的?损失由,12个部分组成。 根据?效率的定义，传给流体的?/太阳辐射的?，由以下公式表示：
Q6(1?TaTHTFTaTs))?100%?效率η：
??
ID1(1?
图3 集热管?损电路图
表2 单一输入变量?分析表
采用SEGS LS-2 Test典型实验测试工况，太阳能辐射强度DNI：880.6W/m，环境温度Ta：27.5℃，HTF平均温度：27.5℃，环境风速v：2.9m/s[6]，进行?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 1 输入 DNI Ta T6 v L α4 τ2 输出
真空工况
ξ56conv ξ45cond ξ43rad ξ43conv ξ4abs ξbconv ξ32cond ξ3abs ξ2abs ξ2rad ξ2conv ξopt η ξ56conv ξ45cond ξ43rad ξ43conv ξ4abs ξbconv ξ32cond ξ3abs ξ2abs ξ2rad ξ2conv ξopt η
% % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % W/m2 ℃ ℃ m/s L/min
880.6 27.5 308.1 2.9 55.6 0.96 0.95
780
20
350
0
35
0.98
0.97
单位 2
典型值 3
变化输入
4
5
6
7
8
9
10
2
1.01 0.07 2
≈0
0.88 0.06 2.24
≈0
1.02 0.81 1.03
1.43 0.07 2.13
≈0
1.06 0.07 2.01
≈0
1.05 0.07 2.01
≈0
0.07
2.13 ≈0 34.23 0.18 0.04 0.07
0.06
2.73 ≈0 31.53 0.22 0.06 0.06
0.07
1.43 ≈0 33.93 0.07 0.02 0.06
33.93 0.18 0.03 0.07 1.45 0.15 0.39
26.98
34.07 0.2 0.03 0.07 1.45 0.15
0.4 26.98
33.47 0.19 0.03 0.07 1.44 0.16
0.42 26.98
34.62 0.18 0.03 0.04 1.45 0.15 0.39 25.52 34.48 0.91 0.06 1.63 1.92 34.7 0.18 0.13 0.04 1.35 0.45 1.2 25.52 31.91
34.63 0.18 0.03 0.07 1.45 0.15 0.39 25.47 34.5 0.91 0.06 1.62 1.92 34.72 0.18 0.13 0.06 1.35 0.46 1.2 25.47 31.93
1.49 0.15
0.38 26.98 33.42 0.85
1.42 0.22
0.59 26.98 35.32 0.66
1.28 0.89
0..27 26.98 33.98 0.92
33.73 0.87 0.06 1.62 1.92 34.02 0.17 0.13 0.06 1.35 0.46 1.2 26.98 31.16
33.45 0.74 0.05 1.81 2.16 34.16 0.2 0.14 0.06 1.36 0.49
1.29
33.6 1.22 0.06 1.71 1.98 33.6 0.18 0.14 0.06 1.35 0.48 1.27 26.98 30.98
真空破坏工况
0.06
1.68 1.90 33.13 0.19 0.13 0.06 1.35 0.44 1.23
0.05
2.24 2.28 30.78 0.23 0.19 0.06 1.30 0.64 1.75
0.06
1.05 1.03 33.99 0.07 0.07 0.05 1.18 1.9 0.58
26.98 30.56
26.98
32.03
26.98
32.83
26.98
32.14
由表可知，集热管的主要?损失由金属吸收管的吸热?损、光学?损；其次是玻璃套管?损、吸收管热辐射?损等。在两种工况下，?损变化最明显的是环形空间对流?损率(从0%变化为1.92%)；太阳辐射强度和环境温度对于?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?损，提高集热管的?效率（1.6%左右），主要是提高温度后，HTF的?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?损；选择性涂层吸收率与玻璃套管透射率影响光学?损，且每提高1%，光学?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?损，提高集热器的整体性能有显著作用。
4 集热管?效率分析
4.1 集热管光学系数对?效率的影响
本文采用SEGS LS-2 Test典型实验测试工况，太阳能辐射强度DNI：880.6W/m，环境温度Ta：27.5℃，HTF平均温度：27.5℃，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?效率的影响，由图可知，随着吸收率α4的增加，集热器?效率提高，且α4每增加1%，集热器?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?效率的影响关系，由图可知，随着透射率的增加，集热器的?效率随之提高，且τ2每增加1%，集热器?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?效率的影响有差别，原因是模型
中，一部分辐射能多次透射玻璃套管，τ2对这部分的能量份额影响大于α4的影响。
2
图4 选择性涂层吸收率变化?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?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?效率的变化规律。由图可知，随着风速的提高，集热器?效率随之降低，且从自然对流（风速v=0 m/s）过渡到强迫对流（风速v=1 m/s），真空工况和真空破坏工况的?效率分别下降了0.16和0.59%，而随着风速的逐渐提高，?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?效率影响较大。
图7给出了太阳辐射强度DNI对?效率的影响关系。由图可知，随着DNI的增加，集热器?效率随之提高，且提高的幅度逐渐降低。