一种槽式太阳能聚光集热器的热性能实验研究

李 珂，匡 荛，仇秋玲

(东南大学 江苏省太阳能技术重点实验室，南京 210096)



新能源

一种槽式太阳能聚光集热器的热性能实验研究

李 珂，匡 荛，仇秋玲

(东南大学 江苏省太阳能技术重点实验室，南京 210096)

针对一种槽式太阳能集热器的热性能进行了一系列的实验研究，确定其室外热性能测试的实验系统方案，通过测试实际工况下集热器运行数据，分析集热器的运行特性。结果表明：水的流量、太阳辐射强度对集热器热效率影响很大，流量由0.32 m3/h 增大到0.65 m3/h时，集热效率有所降低，最大偏差为3.1%；集热器热效率与太阳辐射强度变化趋势相同，集热器热效率最大达到46.6 %。

槽式太阳能集热器； 热损失； 集热效率

槽式聚光集热器是整个槽式热发电系统的关键部件，一般由抛物面槽式聚光镜、支架、集热管、跟踪系统(包括驱动、控制和传感器)组成。槽式太阳能聚光集热器作为热发电系统能量来源，其成本占电站初期总投资的40%以上，因此提高槽式太阳能聚光集热器的整体性能是提高光电转换效率、降低成本的关键所在。经过30多年的研究，国内外已经成功研发了用于槽式太阳能热发电的各种结构不同的太阳能聚光集热器或系统，并分别对此进行了大量的理论和实验研究。Kalogiron等[1]研究了以水为工质的槽式聚光集热器产生蒸汽的系统，通过对整个系统进行建模分析；Valenzuela等[2]对一大型的槽式聚光集热器(长度大于100 m)进行了室外光热性能测试实验；熊亚选等[3-4]对一大型槽形抛物面聚光集热器的热性能进行实验研究。

笔者从理论分析和实验研究两个方面来全面研究新型槽式聚光集热器的热性能，设计室外新型槽式太阳能聚光集热器的热性能实验平台，对集热器进行室外热性能测试实验，并通过测试实际工况下集热器运行数据，分析集热器运行特性。

1 实验方案

槽式太阳能集热器室外热性能实验的目的是通过测量集热管进出口传热介质的温度、流量和太阳辐射强度等参数，获得集热器的瞬时效率，并分析集热器热效率的影响因素。由于水方便易得，本实验选取水作为传热介质。

本次室外实验系统原理图见图1。首先阀门2、3、4关闭，打开阀门1、5、6，冷水依次经过阀门1和5、流量计、止回阀进入槽式太阳能集热器，水在集热管中被加热后流入储热水箱。完成某一工况的实验后，如果水箱中的水没有达到某一液位，就打开阀门2，关闭阀门5、6，继续向水箱中加水，直到达到满足要求的水位。进行其他工况的实验时，需关闭阀门1、2、5，打开阀门3、4、6，同时打开水泵，通过储热水箱中的电加热器来改变集热管入口温度，也可以通过改变流量，来分析对集热器热效率的影响规律。为了排出水中的空气，在系统最高点安装排气阀，同时在集热管的进出口处分别安装有热电偶，来测量集热管内流体进出口处的温度变化。

图1 实验系统原理图

2 实验研究

2.1 实验系统

实验所用槽式太阳能集热器的主要特征参数见表1。

表1 槽形抛物面聚光集热器主要特征参数

图2是所设计的槽式太阳能聚光集热器现场测试实验平台。该装置主要由槽式太阳能集热器、储热水箱、涡街流量计、水泵和数据采集仪器等组成。

图2 槽式太阳能集热管物理模型

实验平台位于张家港乐余镇，聚光集热系统由两个集热单元组成，三个2 m长直通式金属-玻璃真空集热管串联而成，每个集热单元包括两块1 m×1.5 m的聚光反射镜，玻璃之间的间隙为2 mm。聚光器镜面材料为低铁超白浮法玻璃。槽形抛物面聚光集热器南北放置，采用东西自动跟踪方式。

2.2 实验方法

太阳能集热器的测试方法有稳态测试和动态测试两种方法[5]。其中稳态测试方法要求比较严格，需要将太阳辐照度、进水温度、环境温度、流量等都维持恒定在较小的范围内，波动范围较窄。若要使用该种方法对集热器进行室外热性能实验时，外界环境如环境温度和太阳辐照度变化很大，很难维持稳定而难以达到稳态测试的要求，从而使测试周期长。为了克服稳态测试带来的测试周期长、成本高的缺点，提出了一种动态测试方法，该方法允许所测的一些参数有较大范围地变化和波动。表2为动态测试和稳态测试方法对实验条件要求的比较。

表2 动态测试和稳态测试的实验条件要求

笔者对集热器整体性能实验测试采用动态测试方法。为获得槽式太阳能集热器瞬时效率，试验采用瞬时法，将系统的两个集热器单元作为实验对象。每隔一定时间测量该时刻的太阳辐射强度、风速、室外环境温度、工质流量、进出口温度等数据，然后根据每一个选取时间点测量的所有数据计算该工况下的瞬时效率。

该集热系统的有效收益热能Qu即为照射在聚光器上并被反射到集热管上的有用太阳辐射量，由下式确定：

Qu=m·Δh=m·c·(tout-tin)

(1)

式中：m为集热管中传热流体质量流量；Δh为传热流体在集热管中出口与进口的焓差；c为传热流体比热容；tout为传热流体出口温度；tin为传热流体进口温度。

集热系统瞬时热效率ηc可通过下式确定，而式中各个数值可通过测量仪器直接测量。

(2)

式中：Qs为聚光器接收到的辐射能；Qr为同一时段内接收器得到的能量；Ql为同一时段内接收器对周围环境散热；Ac为槽式太阳能集热器的开口面积；I为太阳直接辐射量，由太阳直接辐射表直接测得。

(3)

由式(3)可知，要想获得系统在某个时刻的光学效率η0就需确定Ql。Ql的大小与系统工作温度有关，当集热管内传热流体高于环境温度时，集热系统就会产生热损失，温度越高，热损失越大。为了减小Ql对ηc和η0的影响，测量时要使传热介质在集热管中的平均温度等于环境温度，实验证明，此时的热损失比较小，小于0.5%[2]，故可忽略它的影响，此时集热器光学效率近似等于集热效率。

2.3 实验过程

实验测试开始前，需要调整支架位置和焦距，并且确保测试所用的真空集热管无破损，真空度符合标准，集热管法兰连接处密封性良好。布置好各温度测点的热电偶，并确保所有热电偶与安捷伦数据采集仪连接，然后将数据采集仪与计算机连接。风速仪、总辐射表、直射辐射表安装固定在支架上并调整水平，确保在测试期间仪器无遮挡，将数据线与计算机连接用来采集数据，并确保测量仪器读数正常。打开集热器自动跟踪系统，检查跟踪运行是否正常。每次实验前都需要对槽式聚光反射镜和集热管进行清理，防止灰尘在发射镜上影响集热器的热效率。

以上准备工作完毕后开始槽式太阳能集热器的性能测试实验，具体实验过程如下：

(1) 打开总电源；

(2) 开启数据采集系统，监控系统中各温度点和气象条件状况；

(3) 开启管道的阀门，通过调节阀门开度大小来调整所需流量，随后进行30 min的预备期；

(4) 待真空集热管进口测温热电偶的读数稳定后，采集环境温度、风速、总辐射量、直射辐射量、传热流体进出口温度、流体流量等数据。温度采集是每隔10 s自动采集一次，而其他数据采集是每隔5 min采集一次；

(5) 实验数据采集完成后，关闭集热器前后阀门；

(6) 保存数据，关闭数据采集系统；

(7) 关闭总电源，完成该阶段实验。

3 结果分析

在半自动跟踪控制下开展槽式太阳能集热器光-热性能实验研究，实验采用水为传热流体，其体积流量为0.65 m3/h。初步实验结果见图3～图5。

图3 水的温度变化

图4 有效收益热能变化

图5 集热器瞬时热效率变化

由于进水端有段管路没有包保温层，管内水温会受环境温度的影响而发生变化，从图3中可以看出：测试期间水的入口温度不断升高，13:55时刻之后温度有所降低，变化范围为8.8～12.6 ℃，与环境温差最大为1.6 K，变化较小。出口温度的变化趋势与入口温度一致，变化范围为10.6～14.2 ℃，出口温度波动主要是太阳辐射强度和跟踪误差造成的。由于受辐射强度的影响，水的进出口温差先增大后减小，变化范围为1.4～2.3 K。集热器有效收益热能主要受太阳辐射强度的影响，在辐射强度最大时，其最大值为1 729.4 W。

图5为集热器的瞬时热效率随时间的变化曲线。从图中可以看出瞬时热效率随太阳辐照强度的增加而增加，随辐照强度减小而降低，变化范围为37.1%～46.6%。主要原因是随辐照强度的增加，金属集热管内的传热流体吸收的太阳辐射强度随之增加，但是集热管与环境之间的热损失没有同比增加，从而使集热效率增加；同时随着太阳光入射角增大和辐照强度降低，集热管接收到的太阳光线的长度在变小，从而使集热效率降低。从图5中也可以看出：集热效率在11:45左右发生突变，这是由于正午时入射角接近于零，入射角的变化在跟踪系统的误差范围内，太阳聚焦后的焦斑偏离集热管较少。在整个实验过程中，发现光斑在集热管处出现散光现象，使部分光线脱离集热管，这部分能量不能得到充分应用，最终导致集热器的集热效率较低，造成这种现象的原因主要是外界因素使聚光镜部分地方有划伤现象，从而使反射的光线不能完全聚集到集热管上。实验中采用外螺纹式真空集热管作为集热元件，使集热管的光学长度减少，热损失增大，这些都对聚光镜组的集热效果产生影响。

不同流量下集热器瞬时热效率与太阳直射辐射强度的关系见图6，两个流量所测结果分别是选择气象条件相似的两天完成。

图6 不同流量下的集热器瞬时热效率与太阳直射辐射强度的关系

从图6可以看出：不同流量下集热器瞬时热效率随着太阳能辐射强度的增加而增大，流量在0.65 m3/h时，直射辐射强度从487 W/m2增加到607 W/m2，而集热器瞬时热效率从37.1%增加到43.4%；流量在0.32 m3/h时，效率从40.2%增加到45.1%。槽式太阳能热发电系统的选址需要对太阳辐射强度进行综合考虑，以保证系统热效率的最大化。随着流量的增加集热效率有所降低，最大偏差为3.1%。由此可见，传热流体的流量是系统运行过程中重要的参数，它对系统的集热效率有很大的影响。虽然随着流速增大，Re增大，湍流程度增强导致流体在集热管壁面处产生大量漩涡，起到了传化强热的效果，但是集热管热损失也增加，同时流体流速越大，传热流体在集热管中停留时间就越短，流体不能与集热管充分换热。而当流速降低时，集热管热损失小，传热流体可以和集热管之间充分换热，使传热流体吸收更多太阳辐射，促使进出口温差增大，集热效率增加。

4 结语

对槽式太阳能集热器热性能实验平台进行实验研究，其结果表明：

(1) 水的流量、太阳辐射强度对集热器热效率的影响很大，流量由0.32 m3/h增大到0.65 m3/h时，集热效率有所降低，最大偏差为3.1%。

(2) 集热器热效率与太阳辐射强度的变化趋势相同，峰值均出现在11:45时刻，此时太阳直射辐射强度为635 W/m2，集热器热效率为46.6%。

综上所述，对聚光集热器进行全自动实时跟踪控制、聚光镜组各部件进行进一步的设计优化、电站的选址和流量的选取，可有效地改善槽式太阳能热发电系统的热效率。

[1] KALOGIROU S,LLOYD S,WARD J. Modelling,optimisation and performance evaluation of a parabolic trough solar collector steam generation system[J]. Solar Energy,1997,60(1): 49-59.

[2] VALENZUELA L,LóPEZ-MARTíN R,ZARZA E. Optical and thermal performance of large-size parabolic-trough solar collectors from outdoor experiments: A test method and a case study[J]. Energy,2014,70: 456-464.

[3] 熊亚选,吴玉庭,马重芳,等. 槽式太阳能聚光集热器光热性能初步试验研究[J]. 太阳能学报,2012,33(12): 2087-2092.

[4] 熊亚选,吴玉庭,马重芳. 槽式太阳能聚光集热器光热效率实验研究[J]. 工程热物理学报,2012,33(11): 1950-1953.

[5] BS EN 12975-2:2006. Thermal solar systems and components-Solar collector-Part 2: Test methods[S]. British Standards Institution,2006.

Experimental Research on Thermal Performance of a Trough Solar Collector

Li Ke,Kuang Rao,Qiu Qiuling

(Jiangsu Provincial Key Laboratory of Solar Energy Science and Technology, Southeast University,Nanjing 210096,China)

To study the thermal performance of a trough solar collector,a series of studies were carried out so as to design the experimental system for outdoor thermal performance test,and to analyze the operation characteristics of the collector by measuring its operation data under actual working conditions. Results show that both the water flow rate and solar radiation intensity have great influence on the thermal efficiency of the collector,which would reduce to some extent with the maximum deviation of 3.1% when the flow rate increases from 0.32 m3/h to 0.65 m3/h. The thermal efficiency varies in the same trend of solar radiation intensity,and the maximum value may get up to 46.6%.

trough solar collector; heat loss; heat collecting efficiency

2016-10-08；

2016-11-30

李 珂(1993—)，女，在读硕士研究生，研究方向为太阳能热发电。

E-mail: 1533823681@qq.com

TK515

A

1671-086X(2017)04-0245-05