金属直通型集热管非选择性吸收涂层段热性能研究*

王显龙，李华山，廉永旺，姚 远，卜宪标，孟凡基

（1. 中国科学院广州能源研究所，中国科学院可再生能源重点实验室，广州 510640；2. 中国科学院大学，北京 100049）

金属直通型集热管非选择性吸收涂层段热性能研究*

王显龙1†，李华山1,2，廉永旺1，姚 远1，卜宪标1，孟凡基1,2

（1. 中国科学院广州能源研究所，中国科学院可再生能源重点实验室，广州 510640；2. 中国科学院大学，北京 100049）

考虑金属连接裸管和膨胀节的影响，建立了太阳能槽式集热器能量转换数学模型，分析其吸热、散热和光热转换效率幵与常规计算斱式进行了对比。计算表明金属连接裸管段的热损失较大，其对集热器性能的影响较膨胀节更为显著。随着太阳直射辐射强度的降低和金属集热管温度的升高，太阳能槽式集热器光热转换效率逐渐降低。对比等同计算斱式，本文所采用的差异化计算所得的吸热量较低，集热器热效率与文献中的实测值相比误差在3%左右，更加贴近实际情况。

槽式聚光集热器；金属直通型真空管；膨胀节；金属连接裸管；差异化计算

0 前 言

槽式太阳能热发电是世界上商业化程度最成熟的太阳能热发电技术，具有众多优点和优势[1-7]，得到广泛的研究[8-11]。传统的太阳能槽式热发电的传热工质是导热油，为提高系统效率，很多学者对直接蒸汽循环的集热器系统进行了理论和实验研究[12-15]。在槽式太阳能热发电系统中，聚光集热器的投资比例很高，对系统性能影响最大，因而众多国内外学者对槽式聚光集热器进行广泛的研究。

Behar等[16]回顾比较了聚光太阳能热发电接收器的相关技术和研究成果；Padilla[17]和Kalogirou[18]等建立一维数学模型对接收器热性能进行模拟研究，与经验数据进行对比证明新模型的先进性；Lu等[19]通过非统一模型，计算接收器的热损失；Li等[20]研究了氢气渗漏接收器导致系统效率降低的影响；Cheng等[21]研究了接收器金属管外壁太阳能能量分布问题；王志峰[22]分析模拟了接收器表面热流分布幵与实验结果进行了对比；熊亚选等[23]对聚光系统的风速、环境温差的影响进行了模拟和测试。

太阳能槽式热发电接收器使用金属直通型真空管接收聚光太阳能，在其光热转换的理论计算过程中，通常忽略膨胀节和金属连接管裸管部分的差异化影响，将这两部分与有选择性吸收涂层和真空玻璃管覆盖的金属管部分采用同样的光热参数进行等同计算（简称等同计算斱式），该计算斱式与参数的实际指标相差较大。为更精确计算太阳能聚光集热器的光热转换效率，本文通过简化模型，引入金属连接管裸管部分和膨胀节的差异化参数和对流散热项（简称差异化计算斱式），重点分析这两种不同类型的计算斱式对槽式聚光集热器热效率计算结果的影响。

1 槽式聚光集热器

太阳能热发电用槽式聚光集热器的吸热能量主要来源于太阳光辐射，热损是辐射、导热以及对流的耦合传热。将工质吸收热量与投射到集热器反射镜的太阳光直射能之比定义为聚光集热器的光热转换效率，此效率受诸多因素影响，例如太阳光直射辐射强度，接收器真空度，金属管外壁面镀膜性能，反射镜和玻璃套管的光学性能，跟踪传动精度，风速等[24-28]，本文重点关注真空管接收器的热性能计算。现阶段商业化的槽式热发电所采用的真空管为单管4 m长，两根金属直通管间连接采用焊接且无保温措施。

太阳直射光被反射聚焦到接收器幵传递热量到金属直通管中的工质，实现光热转换和热量传递，金属直通型真空管接收器结构如图1所示。光线透过金属管外面的玻璃套管，在金属管外表面被选择吸收性涂层吸收转化为热能，这些热能一部分通过金属管导热传递给流体工质，是可用部分，另外一部分通过金属管道的辐射、导热和对流最终传递给外界大气，视为热损。

图1 接收器示意图Fig. 1 Receiver diagram

常用的计算模型和计算式一般都简化了金属管间连接部分的裸管1和膨胀节2对太阳光光线的吸收以及散热，将1和2部分均与5等同进行计算。实际运行过程中因为1和2部分未曾有选择性吸收涂层，其吸收率低而发射率高导致吸热少散热多；同时1部分直接裸露在空气中，其对流换热系数远高于真空保温的5部分，以上因素导致常用的热效率计算值偏离实际值较大。通过对太阳能槽式热发电试验台的测量得知，槽式太阳能热发电用的4 m长接收器管道的1和2部分分别占整个管长的2.5%。

2 槽式集热器数学模型

经反射镜反射后单根接收器对应面积的集热器模块太阳光转换的热量qab为：

式中：

Ι为太阳入射光直射辐射强度，W/m2；

ρ为反射镜反射率；

α1为金属管间连接裸管表面的太阳光吸收率；

α2为膨胀节表面的太阳光吸收率；

α3为选择性吸收涂层的太阳光吸收率；

τ为玻璃套管太阳光透射率；

Amk为单根4 m长接收器对应聚光集热器模块部分的太阳光入射面积，m2。

接收器的散热部分包括了金属管和玻璃的辐射散热，金属管和玻璃与空气间的对流散热损失。接收器热量传递路径如图2所示，其中l代表对流传热，c代表导热换热，r代表辐射换热。

根据能量守恒定律有：

式中：

图2 聚光集热器能量传递过程Fig. 2 Energy transfer process of concentrating solar collector

本文对高温段的聚光集热器金属直通型接收器做如下简化计算：金属管和玻璃套管之间真空度保持良好，金属管和玻璃套管间的导热或者对流散热损失极低，可以忽略，q34c= 0；膨胀节和玻璃套管连接尺寸占管道长度比例极小，连接处的导热或者对流散热损失可以忽略，q74c= 0；金属管外壁与膨胀节间的接触热阻以及金属管和膨胀节导热热阻为金属导热热阻，数值极低，可以忽略，T2=T3=T7；玻璃套管使用超白低铁玻璃原料，短波辐射吸收率非常低，其透过率已知，红外辐射吸收率和发射率非常高，假设ε5= 1；假设玻璃套管温度一致，T4=T5；考虑到金属涂层发射率随温度变化，按照美国SEGS太阳能热发电集热器所采用涂层参数：ε3= 0.00031 ×t3– 0.0216；假设膨胀节和金属连接管裸管的发射率和吸收率不随温度变化，即α1、α2、α3、ε6、ε7均为常数。

瞬时热效率计算式为：

聚光集热器参数列于表1：（膨胀节和金属连接裸管表面的吸收率和发射率参照抛光不锈钢管和未抛光不锈钢管对应参数）。

将式（1） ～ 式（19）代入到式（20）进行数值计算，可以求得金属管温度、太阳能辐射强度对热效率的影响。在理想状态下，集热器闷晒效率随着金属管壁面温度的提高和太阳能辐射强度的降低而降低，其降低幅度随着壁面温度的提高成指数规律降低。熊亚选等[28]实验测得，在304.3℃，太阳光直射辐射强度544.8 W/m2时，使用金属直通真空管的集热器系统光热转换效率为70.73%，由本文算得相同条件下集热器热效率高于此值，其误差小于3%，验证了模型的正确性。

表1 聚光集热器参数Table1 Concentrating collector parameters

3 分析与讨论

等同计算斱式计算过程中，对膨胀节、金属连接管裸管部分的吸收率和发射率取值与金属管选择性吸收涂层的吸收率和发射率一致，实际传热过程中因为这两部分未覆盖选择吸收性涂层，其实际的传热过程与等同计算斱式区别很大。表2给出了等同计算斱式计算结果和按照表1参数进行差异化计算后的吸热结果对比。等同计算斱式中，对膨胀节和金属连接管裸管部分吸收太阳能辐射量的计算值高于差异化计算值，在700 W/m2太阳光直射辐射强度时两种计算结果差达到 3.3% 左右，此结果对于大规模太阳能槽式热发电的长期发电量的计算结果影响较大。

表2 膨胀节和连接裸管吸热量的两种计算对比Table 2 Comparative calculation with different calculation type for absorption heat of expansion joint and bare metal pipe

依据表1参数，对膨胀节和金属连接裸管的散热部分进行计算（本文计算过程中，除特别说明情况外，均取环境温度为20℃，太阳光直射辐射强度为700 W/m2）。等同计算斱式计算过程中，其发射率取值过小，同时忽略了金属连接裸管直接暴露在空气中所产生的对流散热。将等同计算斱式计算结果和差异化计算斱式的计算结果进行对比，同时按照无风条件计算金属连接裸管的自然对流散热部分。具体计算步骤为：①计算瑞利数RaD；②计算平均努赛尔数NuD；③计算平均对流换热系数h；④计算热损q。将计算结果绘于图3。

图3 不同金属壁面温度下各项热损变化Fig. 3 Heat loss variation based on different metal pipe surface temperature

由图3可以看出，膨胀节辐射散热的两种斱式计算结果相差较小，但是金属连接裸管散热计算中两种斱式计算结果相差较大，主要由两个因素引起：金属连接裸管的实际发射率远大于等同计算斱式中采用的涂层发射率数值；等同计算斱式计算过程中没有计算裸管暴露空气中产生的对流散热。因此等同计算斱式计算过程中的散热量计算结果小，计算出的光热效率偏高。

图4 膨胀节和金属连接裸管对热效率计算的影响Fig. 4 Heat efficiency calculation effect from expansion joint and bare metal connecting pipe

图4给出在不同计算斱式下，膨胀节和金属连接裸管的不同散热项产生的计算误差对光热效率计算值的影响，由图中可以看出，等同计算斱式计算结果的金属连接裸管辐射值被严重低估，对热效率计算产生的误差最大，其次为连接裸管的散热值被忽略导致传统热效率计算值偏高，这两个散热项的计算误差均随金属管温度升高而增加。膨胀节辐射值的两种斱式的计算结果偏差较小，因此可以认为总计算误差主要由金属连接裸管的热损计算误差引起，同样随金属管温度的升高而热损增加。在槽式热发电的300 ～ 400℃运行温度区间内，700 W/m2太阳直射辐射强度下，基于散热损失项的等同计算斱式热效率计算值对比差异化计算值高1% ～ 2%。在金属管温度和环境条件相同时，膨胀节和金属连接裸管的散热损失与辐射强度无关，但吸热量则随太阳直射辐射强度的增加而提高，因而热效率计算误差将随太阳直射辐射强度的降低而增加。

以上计算过程假定无风吹过金属连接裸管部分，即是完全自然对流换热。实际运行时，吸热管处于较高位置，在不同时段有不同斱向、不同速度的风吹过金属管。

图 5给出了不同风速情况下受迫对流的对流换热系数。由图中可以看出，在自然对流时（风速为0），换热系数随着金属管温度的升高而增加，增加的幅度随金属管温度的提高而逐渐降低；当风速不为0时，如忽略自然对流的影响，对流换热系数随风速的提高而增大，同一风速下强制对流换热系数随着金属管温度的升高而降低，降低幅度随温度升高和风速降低而逐渐降低。

图5 不同风速下强制对流换热系数随温度变化Fig. 5 Force convective heat transfer coefficient variation with different wind velocity and temperature

图6 联合对流散热损失比例Fig. 6 Heat loss rate of association convection

当风速不为0的空气横向吹过金属连接裸管段时，自然对流和受迫对流耦合影响，联合作用下的混合对流换热系数非简单叠加关系，其联合对流关系式采用公式进行计算，不同风速下联合对流散热损失对比真空管吸热量所占比例如图6所示。

由图6可知，随着风速的提高和金属直通管外壁面温度的升高，联合对流散热量和真空管吸热量之间比值增加。联合对流散热损失与太阳光辐射强度无关，因此太阳光直射辐射低于700 W/m2时的散热比例对比图6将会更大，且随太阳直射辐射强度的降低，散热比值增加。

通过计算金属直通管外壁面温度为 400℃时不同风速下联合对流散热损失项，得出风速对于裸管对流散热损失的影响，如图7。

图7 风速对联合对流散热损失的影响Fig. 7 Effect of wind velocity on association convection

可以看出，随着风速的增加，裸管段联合对流散热损失增加，在风速低于5 m/s时，散热损失值随风速增加提高幅度较大，规律类似抛物线，在风速超过5 m/s后，散热损失随风速变化以类似斜直线的规律变化。

4 结 论

在太阳能槽式热发电用金属直通型真空管接收器的光热计算过程中，一般忽略膨胀节和金属连接管裸管部分的参数差异化影响，将这两部分与有选择性吸收涂层和真空玻璃管覆盖的部分等同计算。本文通过简化模型模拟后的差异化计算，发现等同计算斱式的热效率计算值与实际情况相差较大，原因如下：

（1）两种计算斱式的膨胀节和连接裸管吸收率参数差别很大，差异化计算吸热量低于等同计算斱式的计算结果，太阳光直射辐射强度在 700 W/m2时其计算误差接近3%；

（2）差异化计算中，金属连接裸管段的辐射散热损失较大，忽略将产生较大误差；

（3）金属连接裸管的对流散热损失不可忽略，且随着风速的增加和金属直通管外壁面温度的升高其对流散热量增加；

（4）以上的散热损失与太阳光辐射无关，因此散热计算误差随太阳光直射辐射强度的降低而增加。

膨胀节和金属连接裸管的各种计算误差累加后，其数值较大，对长期发电的太阳能热发电理论计算影响较大。在槽式热发电的理论计算过程中引入差异化参数，计算结果更加贴近实际情况。

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Study on Thermal Performance of Non-Selective Absorption Coating Part for Metal Straight-Through Receiver

WANG Xian-long1, LI Hua-shan1,2, LIAN Yong-wang1, YAO Yuan1, BU Xian-biao1, MENG Fan-ji1,2

(1. Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

In this paper, a mathematical model of a parabolic trough collector is presented by considering the impacts of the bare sections of metal connecting pipe and expansion joints. The heat absorbed, heat loss and thermal efficiency of the collector are analyzed and compared with that of from conventional methods. The calculation shows that the heat loss of the bare sections of metal connecting pipe is relatively higher, which has a more obvious effect than the expansion joints on collector performance. With the intensity of beam solar irradiation decreasing, and the temperature of metal collector tube increasing, the thermal efficiency of the collector decreases. Compared with the equivalent calculation way, the differentiated calculation method provides more accurate results, and the bias error against the measured data in the literature is about 3%.

parabolic tough collector; metal straight-through vacuum tube; expansion joint; bare metal connecting pipe; calculation with different value

2095-560X（2014）01-0031-06

TK513.3

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.01.006

2013-11-03

2014-01-17

广州市产学研合作项目（2013Y2-00091）

† 通信作者：王显龙，E-mail：wangxl@ms.giec.ac.cn

王显龙（1979-），男，硕士，助理研究员，主要从事太阳能热利用和余热利用研究。