槽型太阳能集热管的传热分析与建模

2021-01-07鲁红光杨晓军马禄彬

绿色科技 2020年24期

鲁红光，杨晓军，马禄彬

(江西新能源科技职业学院，江西新余 338012)

1 引言

聚光太阳能已经使用了100多年，在1973年的能源危机之后，大规模太阳能发电才被接受。从20世纪80年代末开始，在美国南加州的莫哈韦沙漠已经建成并运行9个太阳能热发电系统。太阳能光热发电技术中槽式太阳光热发电技术得到了广泛的应用。

槽式太阳光热发电站是由一排排槽式抛物镜和集热器组件、一个储存热能的存储系统、产生过热蒸汽的热交换器和一个将热能转换为电能的标准动力循环系统组成。太阳能被导热油吸收，并转移到热交换器进行热存储或产生蒸汽。储热器在太阳日照高时储荐太阳能，在太阳日照低时补充热量输入。槽式集热器的设计目的是提供足够的热量，将导热油的温度提高到4000 ℃左右，这个温度足以产生蒸汽发电厂所需的过热蒸汽。槽式集热器由抛物线槽反射镜、钢支撑结构、集热管和单轴驱动机构组成。集热管由一个两端有波纹管的玻璃套管，内部金属管组成。金属管通常是直径约70 mm的不锈钢管，外表面涂有选择性涂层，选择性涂层对太阳能谱中的辐射具有高吸收率，在长波能谱中具有低发射率，以减少热辐射损失。玻璃套管保护金属管，减少热量损失。它通常是耐热玻璃,高温下保持良好的强度和透光率。为了减少反射损失，玻璃套管外表面涂有减反射膜。金属管和玻璃套管之间的环形空间处于真空状态，以减少热损失并保护选择性涂层。安装在环空中的吸气包是设计用来吸收氢气，氢气会自然地从导热油中渗透出来，如果留在环空中会增加集热管的热损失。波纹管连接玻璃和金属，起到密封作用，并适应金属管和玻璃套管之间的热膨胀。金属管伸出玻璃套管之外，以便集热器对接焊接在一起形成一个连续的接收器，连接处有支撑支架。在抛物线槽技术发展初期，低效率的集热器是槽式太阳能热发电性能不佳的主要原因，因此提高集热器热性能成为优先考虑的问题。发达国家都在扩大研发力度以开发性能更高的抛物线槽型集热管的同时，改进集热管热性能以提高整体发电效率是首选。

2 太阳能集热管热性能模型

太阳能集热管的热性能模型是基于集热管的能量平衡。能量平衡包括照射到集热管上的直射太阳光，来自抛物镜和集热管之间的光学损失，集热管的热损失，以及传热工质进入集热管获得的热量。对于小于100 m的短集热器，一维能量平衡能给出合理的结果；对于较长的集热器，需要一个二维的能量平衡。下面描述太阳能集热管热性能模型中热平衡方程。

2.1 一维能量平衡模型

集热管热性能模型使用了传热工质和大气之间的能量平衡，并包含了计算能量平衡项所需的所有方程和相关关系，方程取决于集热器类型、条件、光学特性和环境条件。

图1显示了集热管横截面的一维稳态能量平衡，图2显示了热阻模型。为了分析简单明了，入射太阳能光学损失已经从热阻模型中省略。光学损失是由于抛物镜的缺陷，跟踪误差，阴影，以及镜子和集热管的清洁度。有效入射的太阳能(太阳能减去光学损耗)被玻璃外壳(q5S)和金属管表面选择性涂层(q3S)吸收。大部分被选择性涂层吸收的能量通过金属管(q23cd)向内传导，并通过对流(q12c)传递到传热工质中；剩余能量通过对流(q34c)和辐射(q34r)传递回玻璃套管，一部分通过集热管支架传导(q38)损失，通过传导穿过玻璃套管的热量(q45c)和玻璃套管外表面吸收入射光的能量(q5S)，以对流(q56c)和辐射(q57r)的方式向环境散失。该模型假设所有的温度、热流和热力学性质都在集热管的横截面上是均匀的。此外，图1中所示的所有热通量方向均为正。由图1、图2可知，在正常太阳光照射的情况下，通过集热管截面各表面的能量平衡方程为：

q12c=q23cd

(1)

q3s=q34c+q34r+q23cd+q38cd

(2)

q34c+q34r=q45cd

(3)

q45cd+q5s=q56c+q57r

(4)

总热损失：

qHL=q56c+q57r+q38cd

(5)

图1 一维能量平衡

图2 热阻模型

2.2 总热损失计算

2.2.1 玻璃套管外表面到大气的传热

热量将通过对流和辐射从玻璃套管外表面传递到大气中。对流是强制的还是自然的，取决于是否有风。辐射热量损失是由于玻璃套管外表面和天空之间的温差造成的。

2.2.1.1 对流换热

玻璃套管外表面到大气的对流传热( q56conv)是最大的热量损失来源，特别是在有风的情况下。

q56c=h56πD5(T5-T6)

(6)

(7)

式中：T5为玻璃外表面温度(℃);T6为环境温度(℃);h56为(T5-T6)/2处空气对流换热系数(W/m2·K);k56为(T5-T6)/2处空气导热系数(W/m·K);D5为玻璃套管外径(m);NuD5为基于玻璃套管外径的平均努塞尔数，取决于对流换热是自然的还是强制的。

(1)无风情况。在无风的情况下，玻璃套管与外界的对流换热采用自然对流。在这种情况下[1]:

(8)

式(8)中：RaD5为基于玻璃套管外径D5的空气瑞利数，Pr56为空气普朗特数。

(2)有风情况下。如果有风，从玻璃套管到环境的对流换热属被迫对流。在这种情况下:

ReDCm1～400.750.440～10000.510.51000～2000000.260.6200000～10000000.0760.7

n=0.37，Pr≤10。n=0.36，Pr>10。

(9)

该相关性适用于0.7

2.2.1.2 辐射换热

玻璃套管与天空之间的辐射传递是由玻璃套管与天空之间的温度差引起的。为了近似计算，假设玻璃套管是一个大黑体空腔(天空)中的一个凸出的灰色小物体。玻璃套管外表面和天空之间的净辐射为[2]:

(10)

式(10)中ε5为玻璃包膜外表面的发射率;T7为有效气温(K)。

2.2.2 通过真空集热管支架的热损失

集热管在抛物镜焦点线上，由金属管的支架支撑，见图3。在每个集热管的两端都有一个支撑支架。通过支架的热损失近似计算方法是，将支撑支架视为一个无限大的翅片，其基底温度比支架附着处的金属管外表面温度T3低10 ℃。以这个估算的温度计算支架的热量损失。

图3 集热管支架连接到金属管的特写

支架热损失的估算公式如下[3]，

(11)

式(11)中：hb为支架平均对流系数(W/m2-K);Pb为支架周长(m);kb为传导系数(W/m k);Acs,b为支架最小截面积(m2);Tbase为支架底部温度(℃);T6为环境温度(℃);LHCE为HCE长度(m)。

2.3 光学特性

2.3.1 玻璃套管吸收太阳辐射

将吸收进入玻璃套管壁的太阳能视为热流，以简化模型。从物理上讲，这是不正确的。玻璃套管壁中的太阳吸收是一种产生热量的现象，是玻璃厚度的函数。然而，这种假设引入了最小的误差，因为玻璃的太阳吸收系数很小，而且玻璃套管相对较薄。此外，还估计了光效率来计算太阳吸收。有了这样的陈述，玻璃套管壁吸收太阳能方程为[4]：

q5S=qsiηenvαenv

(12)

式(2)中：q5S为每米集热器的太阳照射量(W/m);ηenv为玻璃外壳的有效光学效率;αenv为玻璃套管的吸收率。

公式(12)中的(qsi)是由太阳直射法向照射量乘以集热器的投射法向反射表面积(孔径面积)再除以集热器长度确定的。假设方程中的所有项都与温度无关。

2.3.2 金属管吸收太阳辐射

金属管外表面吸收的太阳能被视为热流。金属管吸收太阳能的方程[7]：

q3S=qs:absαabs

(13)

(14)

ηabs为金属管的有效光学效率;αabs为金属管的吸收比;τenv为玻璃外壳的透光率; 假设所有项都与温度无关。

3 分析与讨论

3.1 环空压力对热损失的影响

当环空处于真空状态时(压力<1 torr)；金属管外表面与玻璃套管内表面之间的对流换热是通过自由分子对流进行的，此时热损失随压力的变化影响很小，当环空失去真空时(压力>1 torr)，金属管与玻璃套管之间的对流换热机制是自然对流，此时热损失随压力的增大而迅速增大，如图4[4]。故集热管的密封性尤为重要，微小的漏气将导致集热管热损失迅速增大。