槽式太阳能集热器集热性能模拟研究

曹　政， 章智博， 陈九法

(1. 东南大学 能源与环境学院， 南京 210096；　2. 浙江省建筑设计研究院， 杭州 310006)



新能源

槽式太阳能集热器集热性能模拟研究

曹政1， 章智博2， 陈九法1

(1. 东南大学 能源与环境学院， 南京 210096；2. 浙江省建筑设计研究院， 杭州 310006)

分析了太阳直射辐射强度、集热管进口流体温度、集热管进口流体速度三个因素对太阳能集热器热效率、吸热管表面和玻璃套管表面最大温升的影响。结果表明：集热器的集热效率随太阳直射辐射强度增加、进口流体速度增大而增大，随进口流体温度升高而减小；吸热管表面最大温差随太阳直射辐射强度增加而增大，随进口流体速度增大而减小；随进口流体温度升高先增大后减小；玻璃套管表面最大温差随太阳直射辐射强度增加、进口流体温度升高而增大，随进口流体速度增大而减小。

槽式太阳能集热器； 数值模拟； 集热效率； 太阳直射辐射强度

作为太阳能热利用技术的核心部件，太阳能集热器的性能优劣对整个系统的性能、经济性具有关键影响。槽式太阳能热发电技术是目前全球商业化运行电站中占比最大的技术形式[1]。

19世纪90年代国外就开始了对槽式太阳能集热器的开发与研究：Cheng等[2]采用蒙特卡罗(Monte Carlo)光线追踪模型，模拟了不同型式槽式集热器在理想光学情况和存在光学误差的情况下不同的集热特性，比较了不同型式集热器对光学误差的敏感程度；Krüger等[3]对Solitem PTC 1800型槽式太阳能集热器的光学性能进行了研究，并在工作温度为 200 ℃时，采用高压水作为工质，测试了此集热器的热损失；Riffelmann等[4]使用热流扫描仪(Parascan)对槽式太阳能集热器的光学特性及光学误差进行了试验分析。

笔者以一套集热量为100 kW的槽式太阳能集热系统为对象，采用Fluent软件，针对太阳直射辐射强度、集热管进口流体温度、集热管进口流体速度三个因素进行了模拟。

1　槽式太阳能集热器几何模型设计

集热器地点选择在南京(北纬32°、东经118.8°)，南京市的典型太阳能辐射总量大约为1 325.28 kW·h/(m2·a)，平均日照时数达到2 020 h，属于太阳能资源可利用区，具有较好的光热利用条件。依据槽式太阳能热电站的设计原则，选择夏至日(北半球为6月21日或者6月22日)正午时刻的太阳辐射强度进行计算。设计集热器的相关计算参数见表1。

表1　槽式太阳能集热器相关计算参数

以LS-2型槽式太阳能集热器[5]为参照进行设计的集热管，具体参数见表2，模拟集热管的长度依据Dudley等[5]的试验取为7.8 m。集热管的几何物理模型见图1。

表2　直通式金属-玻璃集热管主要参数

2　集热管数值模型建立及模拟

采用Fluent软件对集热管的传热流动特性进行模拟，所建模型也主要是指Fluent中采取的模型。

2.1 数学模型

集热管内传热工质流动换热首先必须满足三大基本守恒方程，即质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，分别表述为[6]：

连续性方程

(1)

式中：ρ为密度，kg/m3；u为流速，m/s。

动量方程

(2)

式中：μ为动力黏度，Pa·s。

能量方程

(3)

模拟采用RNGk-ε湍流模型，对于湍动能k和湍流耗散率ε方程分别表述为：

(4)

ε方程

(5)

2.2 数值求解方法

首先通过Gambit软件绘制集热管模型，然后进行网格划分，导出网格计算文件。Fluent选择三维、双精度的压力基求解，导入Gambit输出的集热管模型文件。除了前面介绍的三大守恒方程和RNGk-ε湍流计算模型外，因为集热管的传热过程中涉及辐射传热，选择DO(DiscreteOrdinates)辐射模型。速度与压力基的耦合采用Simple算法，能量方程、动量方程、湍流能动方程、辐射方程均采用二阶迎风格式离散化。能量方程、辐射方程收敛残差设置为10-6，其余方程收敛残差均设置为10-4。

3　传热流动数值模拟结果与分析

槽式太阳能集热器在运行过程中的传热流动特性会受到很多因素的影响，笔者主要模拟太阳直射辐射强度、传热流体进口温度及进口速度对集热器性能的影响。模拟时，通过假定其他参数不变，改变需要模拟参数变量的方法进行模拟。

3.1 太阳辐射强度的影响

模拟条件根据第1节设计的槽式太阳能集热器的相关参数进行设定(见表1)。假设空气温度为21.2 ℃，环境风速为2.41m/s，室外空气相对湿度为60%，天空温度为7.2 ℃，模拟导热油进口温度为150 ℃和100 ℃，导热油流速为1m/s，分别模拟太阳直射辐射强度为300W/m2、450W/m2、600W/m2、750W/m2、900W/m2、1 050W/m2工况下集热器的传热流动性能。

图2给出了集热器的热效率随太阳能直射辐射强度的变化规律。

从图2可以看出：在环境参数相同、集热器进口导热油温度和速度相同的条件下，随着太阳直射辐射强度的增加，集热器的集热效率随之增大，但是增幅逐渐降低。通过集热器的传热模型分析其原因，主要是因为随着太阳直射辐射强度的增加，集热管表面热流密度增加，集热管吸收的有用能增加；同时，热流密度的增加又会导致集热器金属吸热管管壁的温度增加，金属吸热管与玻璃套管之间的换热增加，从而使玻璃套管壁面温度升高，集热管的整体热损失增加；总体趋势上，吸热管吸收的有用能增加比例要大于热损失的增加比例，因此集热器效率随着太阳直射辐射强度的增加而增大。比较Tin=100 ℃和Tin=150 ℃集热器效率变化曲线可以发现，进口温度为150℃时，当太阳直射辐射强度较低时，热损失增加比例更小，集热器效率的增幅更大。

当太阳直射辐射强度为900 W/m2、流体进口温度为150 ℃、进口流速为1 m/s时，在环境条件下，模拟得出集热器的集热效率为68.65%。

图3为不同太阳直射辐射强度条件下金属吸热管外环形区域及玻璃套管温度分布。

从图3可以看出：环形区域以及玻璃套管的温度受吸热管表面热流密度分布不均匀影响，随着太阳直射辐射强度的增加，环形区域下部的温度升高尤其明显。

轴向位置4 m处，金属吸热管和玻璃套管表面最大温差随太阳直射辐射强度的变化见图4。

从图4可以看出：吸热管和玻璃套管表面最大温差都随着太阳直射辐射强度的增加而增大。在导热油进口温度Tin=100 ℃和Tin=150 ℃情况下，金属吸热管表面最大温差的增加幅度基本相同，但是玻璃套管表面最大温差在Tin=100 ℃时增加幅度要小于Tin=150 ℃。

3.2 流体进口温度的影响

模拟条件假设太阳直射辐射强度为900 W/m2，模拟导热油流速为1 m/s，其他条件不变，分别模拟导热油进口温度为87.5 ℃、100 ℃、112.5 ℃、125 ℃、137.5 ℃、150 ℃、162.5 ℃、175 ℃、200 ℃、300 ℃时集热器的传热流动性能(见图5)。

从图5可以看出：在太阳直射辐射强度、传热流体进口速度、环境参数相同的条件下，集热器的集热效率随着流体进口温度的升高而降低，并且流体进口温度越高，集热效率降低得越快。这是因为当传热流体的进口温度升高时，金属吸热管管壁的温度也相应升高，管壁发射率也相应增大，吸热管与玻璃套管之间的换热增加，热损失增加；金属管壁面温度越高，发射率越高，热损失增大的幅度也越大，因此集热效率降低得越快。

图6是不同温度条件下吸热管外环形区域及玻璃套管在集热管轴向位置4 m处的温度分布。

从图6可以看出：随着传热流体进口温度的升高，环形区域及玻璃套管的温度也相应升高，特别是环形区域上部的温度分布。在流体进口温度较低时，环形区域上部只有金属吸热管附近的温度较高，随着流体进口温度的升高，环形区域上部远离吸热管的区域温度也显著升高。而金属吸热管下部壁面接受辐射热流温度一直很高，因此环形区域下部距离吸热管较远的区域温度也很高。

图7给出了集热管轴向位置4 m处，金属吸热管和玻璃套管表面最大温差随流体进口温度的变化规律。从图7可以看出：玻璃套管表面最大温差随传热流体进口温度的升高而增大，并且增幅越来越大。金属吸热管表面最大温差随传热流体进口温度的升高先减小后增大。在流体由87.5 ℃变化到162.5 ℃左右的过程中，传热量减少的幅度大于对流传热系数减小的幅度，吸热管管壁最大温差减小；在传热流体由162.5 ℃左右变化到300 ℃的过程中，传热量减少的幅度小于对流传热系数减小的幅度，吸热管管壁最大温差增大。因此，吸热管表面最大温差随着流体进口温度的升高呈现出先减小后增大的趋势。

3.3 流体进口速度的影响

相比于其他参数，传热流体进口速度对集热器的流动传热性能影响较大，因此分别模拟太阳直射辐射强度Ib=900 W/m2、导热油进口温度为150 ℃和100 ℃两种情况下，不同进口流速对集热器传热流动性能的影响；Ib=450 W/m2、导热油进口温度为150 ℃和100 ℃两种情况下，不同进口流速对集热器传热流动性能的影响。其他条件与之前假设的相同。

图8给出了集热器的热效率随导热流体进口速度的变化规律。

从图8可以看出：在环境参数(包括太阳直射辐射强度)和流体进口温度相同时，集热器效率随着传热流体进口速度的增大先是急剧增大，然后趋于平缓，增幅越来越小。

分别做进口温度Tin=150 ℃、Ib=900 W/m2情况下，不同流速条件下吸热管和外部环形区域在集热管轴向位置4 m处的温度分布图(见图9)。

从图9可以看出：不同流体进口速度对吸热管外的环形区域以及玻璃套管的温度也有很大的影响。当流速较低时，环形区域的下部以及玻璃套管的底部温度较高，即使是远离吸热管的区域温度也很高，而环形区域的上部只有在距吸热管很近的地方温度较高，整个区域温度分布极不均匀。随着流速增大，环形区域以及玻璃套管的上下温度分布逐渐均匀，当流速达到4 m/s时，整个区域的温度分布已经非常均匀。

图10给出了集热管轴向位置4 m处，金属吸热管表面最大温差随流体进口速度的变化规律。从图10可以看出：当环境参数和流体进口温度一定时，随着流体进口速度的增加，金属吸热管表面的最大温差先急剧减小，然后逐渐趋于平缓。以Ib=900 W/m2、Tin=150 ℃工况下为例，进口流速为0.2 m/s时，吸热管表面最大温差可以达到416.5 K；进口流速为1 m/s时，吸热管表面最大温差降到111.3 K；进口流速为4 m/s时，吸热管表面最大温差只有36.4 K。

图11给出了集热管轴向位置4 m处，玻璃套管表面最大温差随流体进口速度的变化规律。

从图11可以看出：当环境参数和流体进口温度一定时，玻璃套管表面最大温差随着流体进口速度的变化规律与金属吸热管表面最大温差的变化规律类似，先急剧减小，然后逐渐趋于平缓。

4　结语

通过模拟分析太阳直射辐射强度、流体进口温度、流体进口速度对集热器传热性能的影响，主要得出如下结论：

(1) 随着太阳直射辐射强度的增加，集热器的集热效率逐渐增大，但是增幅逐渐降低；集热管内流体温升近似线性增加。吸热管表面和玻璃套管表面存在温差，随着太阳直射辐射强度的增加，吸热管和玻璃套管表面最大温差都逐渐增大。

(2) 随着流体进口温度的升高，集热器的集热效率逐渐减小。吸热管与玻璃套管表面温度随流体进口温度的升高而升高，集热管环形区域上部温度升高明显。吸热管表面的最大温差随流体进口温度升高先减小后增大，对于Ib=900 W/m2、流体进口速度为1 m/s时，进口温度为162.5 ℃左右，吸热管表面温差最小。玻璃套管表面最大温差随传热流体进口温度的升高而增大，并且增幅越来越大。

(3) 随着流体进口速度的增大，集热器集热效率先是急剧增大，然后趋于平缓，增幅越来越小。吸热管和玻璃套管表面的温度梯度随着流体进口速度的增大明显减小，表面最大温差均随着流体进口速度的增大明显减小，幅度逐渐减小，并趋于平缓。

(4) 模拟发现，由于吸热管表面热流密度分布不均匀，确实会导致吸热管和玻璃套管表面产生温度梯度，并且流体进口速度越小，吸热管表面热流密度越大，吸热管表面的温度梯度就越大。

[1] 宋记锋, 丁树娟. 太阳能热发电站[M]. 北京: 机械工业出版社, 2013.

[2] CHENG Z D, HE Y L, CUI F Q, et al. Comparative and sensitive analysis for parabolic trough solar collectors with a detailed Monte Carlo ray-tracing optical model[J]. Applied Energy, 2014, 115: 559-572.

[3] KRÜGER D, PANDIAN Y, HENNECKE K, et al. Parabolic trough collector testing in the frame of the REACt project[J]. Desalination, 2008, 220(1-3): 612-618.

[4] RIFFELMANN K J, NEUMANN A, ULMER S. Performance enhancement of parabolic trough collectors by solar flux measurement in the focal region[J]. Solar Energy, 2006, 80(10): 1303-1313.

[5] DUDLEY V E, KOLB G J, MAHONEY A R, et al. Test results: SEGS LS-2 solar collector[R]. Albuquerque, New Mexico: Sandia National Labs, 1994.

[6] MWESIGYE A, BELLO-OCHENDE T, MEYER J P. Minimum entropy generation due to heat transfer and fluid friction in a parabolic trough receiver with non-uniform heat flux at different rim angles and concentration ratios[J]. Energy, 2014, 73: 606-617.

Simulation on Heat Collection Performance of a Parabolic Trough Collector

Cao Zheng1, Zhang Zhibo2, Chen Jiufa1

(1. School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China;2. Zhejiang Province Institute of Architectural Design and Research, Hangzhou 310006, China)

The effects of following factors on the heat collection efficiency of parabolic trough collector and on the maximal surface temperature rise of both the heat-absorbing tube and the glass sleeve were analyzed, such as the direct solar radiation intensity, the inlet fluid temperature and the inlet fluid velocity, etc. Results show that the heat collection efficiency of solar collector increases with rising direct solar radiation intensity, rising inlet fluid velocity and reducing inlet fluid temperature; the maximal surface temperature difference of heat-absorbing tube increases with rising direct solar radiation intensity and reducing inlet fluid velocity, which first increases and then reduces with the rise of inlet fluid temperature; the maximal surface temperature difference of glass sleeve increases with rising direct solar radiation intensity, rising inlet fluid temperature and reducing inlet fluid velocity.

parabolic trough collector; numerical simulation; heat collection efficiency; direct solar radiation intensity

2016-02-27

曹政(1992—)，男，在读硕士研究生，研究方向为新能源发电、太阳能集热、有机朗肯循环研究。

E-mail: cz_seu@163.com

TK513.3

A

1671-086X(2016)05-0308-06