槽式太阳能集热器集热管热性能影响因素分析

王蒙 顾炜莉 易小芳 刘亚君

南华大学土木工程学院

近年来，由于能源短缺问题越来越严峻，可再生能源开发利用日益受到人们的重视[1]。太阳能是一种清洁能源用其替代常规能源已成为人们的研究目标，但太阳能是一种低品位能源需转化为高品位能源才能被使用，常用的转化方式是聚焦[2-3]。目前，开发利用最多的集热器类型是槽式太阳能聚光系统，其聚光特性，集热效率，换热特性以及热应力等问题一直是研究的热点，但研究重点都是太阳能集热器整体的热损失及其影响因素，而很少针对内部因素对影响集热管热性能的因素进行分析[4-10]，其实真空集热管是槽式太阳能集热器的核心部件实现能量转化率高的关键。本文以LS-2 型槽式太阳能集热器为研究对象，先对聚光特性分析以确定集热管上的能流密度分布规律，而后从太阳辐射强度、集热管入口流体温度和流速、管壁粗糙度等角度分析对集热管热性能的影响。

1 物理及数学模型的建立

1.1 物理模型

槽式太阳能集热器主要是由槽式反射镜面、真空集热管、跟踪系统及其他辅助装置组成，如图1 为槽式太阳能集热器主要部件的物理模型，其工作原理如图2，跟踪系统只要是保证反射镜的开口面与入射的太阳光线互相垂直，反射器镜面反射太阳光使其聚集到真空集热管上，增加真空集热管上太阳光的能流密度，高热流密度的太阳辐射能通过导热的方式传给管壁后流体工质以对流换热的形式得到热量并达到指定温度。

图1 槽式太阳能集热器的物理模型

图2 槽式太阳能集热器系统原理图

本次研究对象为一长7.8 m 的槽式太阳能集热器，由于玻璃管及玻璃管与内部金属吸热管间的真空部分在本次模拟研究时无实际意义故将其简化省去只对内部金属吸热管进行研究，设其为内外径分别为0.066 m、0.07 m 的不锈钢管，内部流体介质为导热油T-55。用fluent 进行模拟分析前用GAMBIT 软件建立模型并进行网格划分，网格划分为六面体结构化网格并在金属吸热管内管壁附近添加边界层。

1.2 控制方程

根据集热管传热与内部导热油流动特性，做出如下假设：1）管内导热油视为不可压缩流体。2）管内导热油的流动视为低速不可压缩湍流流动，湍流模型选用标准k-ε 模型并采用壁面函数法对内壁面进行细化处理。3）管外壁面热边界条件设置热流密度值。

2 集热管能流密度分布特性

2.1 聚光模型建立

在光路分析仿真软件Trace pro 中建立如图3 所示的LS-2 型槽式太阳能集热器模拟实体，模拟时将光源设定为格栅光源，太阳辐射模型设定为半张角δ=4.7 mrad 的锥体，其入射角度为0°，忽略系统的跟踪误差。图4 为集热器运行中的正视图，显示有200 条光线。

图3 在Tracepro 中建立的模拟实体

图4 槽式太阳能集热器运行正视图

2.2 LS-2 型集热器热流密度分布

本次研究模拟了DNI 值为250 W/m2、500 W/m2、750 W/m2、1000 W/m2、1250 W/m2、1500 W/m2时，集热管圆周方向热流密度分布特性，模拟结果如图5 所示，集热管的正面受太阳直射，落在其上的太阳光较少，热流密度值小大致呈余弦分布。大量太阳光落在反射镜面后经反射聚集到集热管背面，其热流密度较大且大致呈对称性分布，中间由于反射的光线较少热流密度值较低。随着辐射强度的增加，集热管表面热流密度也随之成比例增加，但不同的辐射强度下，集热管表面圆周方向热流密度的分布趋势大致相似。另外，随着太阳辐射强度的不断增大，集热管正面和背面的热流密度差值增大，集热管周向热流密度分布的不均匀性增大。

图5 不同辐射强度下集热管表面热流密度分布与圆周角的关系

3 集热管热性能的影响因素分析

由于金属吸热管的导热及热扩散性好，为简化计算可利用Tracepro 求解的不同辐射强度下集热管表面的热流密度分布简化为矩形分布，即将集热管的正面和背面分割开，分别求其热流密度的平均值，在吸热管的外壁面的正面与背面分别设定热流密度边界条件，内壁面为流固耦合面只需将内壁面设置成couple，在Fluent 软件对不同工况进行数值模拟研究。

3.1 太阳辐射强度（DNI）的影响

太阳辐射强度是集热器运行中的重要参数。图6，图7 导热油入口温度为160°，太阳辐射强度分别为250 W/m2、500 W/m2、750 W/m2、1000W/m2、1250 W/m2、1500 W/m2时，导热油的出口温度和集热效率（集热效率为管内流体工质流经集热管吸收的能量与照射到槽式集热器上的太阳能之比）随DNI 的变化曲线。从图中可以看出，在入口导热油温度及流速一定时，导热油在出口处的平均温度与太阳辐射强度成正比，即随着太阳辐射增强，导热油流经集热管时吸收的热量逐渐增加。集热效率也随太阳辐射的增加而增加，但幅度逐渐减小，最后趋于稳定。

图6 出口温度随辐射强度的变化关系

图7 集热效率随辐射强度的变化关系

3.2 集热管流体入口温度的影响

在槽式太阳能集热器的实际应用中，槽式太阳能场中各个集热管的入口流体温度差异较大，故将入口温度设为单一变量，在流体流速为0.25 m/s、太阳辐照强度为1000 W/m2条件下，对入口温度分别为40 ℃、80 ℃、120 ℃、160 ℃、200 ℃、240 ℃、280 ℃时进行模拟分析。其结果如图8：当太阳辐射强度和工质入口流速为定值时，集热效率与工质的进出口温差都随导热油入口温度的升高而降低，这是因为当流换热系数一定时，对流换热量与温差成正比，温差越小对流换热量越小，导热油吸收的热量就越少，集热效率就越低。

图8 进出口温差和集热效率随导热油入口温度的变化曲线

3.4 集热管流体入口速度的影响

在流体入口温度为160 ℃，太阳辐照强度为1000 W/m2条件下，设定流体入口速分别为0.05 m/s、0.075 m/s、0.09 m/s、0.125 m/s、0.15 m/s、0.175 m/s、0.2 m/s、0.225 m/s、0.3 m/s 时进行模拟分析。如图9 所示，在导热油入口温度一定时，虽然导热油流速的增加能增大导热油与管壁的对流换热系数，但导热油进出集热管的时间变短并不能进行充分换热，导致出口处的平均温度逐渐减小。如图10 所示，随着导热油流速的增加，流体进出口压降呈指数增加。根据达西定理，管道压损与流体流速平方成正比，流体流速的增加，管内压损也增加。另外，流速在0.05 m/s～0.3 m/s 区间内，集热系统的集热效率随流速增加而降低。结合三者随入口速度的变化规律可知在实际操作中，流体流速不应太高，因为过高只会导致功耗增加并不能提高集热器整体性能。

图9 出口温度与导热油入口速度的关系图

图10 压力损失和集热效率随导热油入口速度的变化曲线

3.5 管壁粗糙度的影响

在集热系统投入使用后，随着使用年限的增加，管内导热油在过热后的结垢量逐渐增多，管壁越来越粗糙，进而影响集热管内流体的流动与传热，因此需对这一问题进行具体研究。以管壁粗糙度为单一变量，其值分别为0、0.005、0.01、0.015、0.02、0.025、0.03时，在流体入口温度为160 ℃，入口速度为2 m/s，太阳辐照强度为1250 W/m2条件下进行导热油的进出口压力差与管壁粗糙度的变化关系的研究，由图11 可看出，在其他条件均不变的条件下，进出口压差随管壁粗糙度的增加而增加，这是因为随着管壁粗糙度的增大，摩擦阻力系数增大，故压力损失增大，即压降增大。

图11 管壁粗糙度对进出口压损的影响

其实，管内结垢使得管内壁粗糙度增加的同时也增加了热阻，将直接影响传入管内的热量，还需对不同结垢程度对传热的影响进行深入研究，但由于条件有限对不同的结垢程度管壁的热阻的测定与计算尚未完成。

4 结论

影响集热器集热效率的除无法控制的太阳辐射强度外，还受集热管进口温度，管内流速，管壁粗糙度等内部可控因素的影响，其影响规律为：

1）随着辐射强度的增加，集热管表面热流密度也成比例增加，集热效率在一定范围内有所提高，且在不同辐射强度下，集热管表面圆周方向热流密度的分布形式大致相似。随着太阳辐射强度的增大，集热管正面和背面的热流密度差值会越来越大，正面与背面温度差值明显，使得热应力集中在集热管的背面易产生较大产生热应变，既影响集热系统的安全操作，也易使集热管偏离设定的聚焦光线。故应尽可能减少集热管正面和背面的热流密度差值，可增加一些设备来增加集热管正面的热流密度值或缓慢转动集热管以降低集热管的温度差值。

2）集热效率随入口流体温度的升高而降低，管内流体流速的增大，集热效率先是快速下降，后逐步趋于平缓，管壁粗糙度的增大会增大进出口压差，其变化规律是随管壁粗糙度的增加先快速上升，后上升缓慢。故集热管的入口温度应尽可能的小，进口流速不能过大，管内壁结垢要及时清理或更换，及时监控与管理影响集热管热工性能的相关参数使其达到最佳状态可显著提高太阳能集热器的集热效率。