熔盐线性菲涅尔式集热器的热损失分析

文 龙

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065）

线性菲涅尔式的名称源于19世纪法国物理学家奥古斯汀-让·菲涅尔，菲涅尔发现大透镜在被分成小块后，能实现相同的聚焦效果[1]。后来人们将利用这种方法得到的光学元件都冠以菲涅尔的名字。20世纪60年代，太阳能利用先驱Giorgio Francia将菲涅尔透镜原理应用到太阳能反射聚光上，在意大利热那亚制作了一个太阳光聚集系统并将这种技术称为线性菲涅尔反射聚光技术（Linear Fresnel Reflector，LFR）[2]。时至今日，线性菲涅尔式聚光集热技术已经被广泛用在了光热发电领域。与光热发电中的塔式、槽式聚光集热系统相比，线性菲涅尔式聚光集热系统虽然效率较低，但其具有结构简单、土地使用率高、抗风能力强、建设周期短、成本低、运行维护方便等一系列优点[3-4]，近几年已经在多个兆瓦级以上的光热电站中得到应用。

线性菲涅尔式聚光集热系统采用的是线聚焦的方式，布置于同一平面的一次反射镜首先将太阳光聚焦到二维复合抛物面反射镜（Compound Parabolic Collector，CPC）[5]内，随后CPC将射入的太阳光汇聚到位于焦线位置的真空集热管上，真空集热管吸收聚焦后的太阳辐射能，用以加热内部的吸热工质[6-7]。对于线性菲涅尔式聚光集热系统来说，其集热性能的优劣直接关系到吸热工质可获得能量的多少，进而影响到整个系统效率的高低。本文利用能量守恒原理，首先建立了线性菲涅尔式集热器的传热数学模型，随后采用自行编制的计算程序对现阶段常用的熔盐线性菲涅尔式集热器的热损失进行了计算分析。

1 传热模型

线性菲涅尔式集热器主要由一次反射镜、CPC、真空集热管等组成。本文主要对线性菲涅尔式集热器的热损失进行研究，而集热器的热损失主要发生在真空集热管上，因此选择真空集热管为主要研究对象，真空集热管由玻璃外管、真空层和金属内管组成。为了便于分析整个传热过程，进行如下简化和假设：忽略金属管、玻璃管沿圆周温度分布的不均匀；忽略玻璃管厚度及沿厚度方向上的温度差异；与外界的辐射换热只考虑玻璃管外壁面与天空的辐射换热；由于内、外管间抽成真空，所以内、外管间的对流和导热可以忽略不计。

1.1 传热模型

基于上述假设，建立线性菲涅尔式集热器的传热模型，如图1所示。

依据图1传热模型，线性菲涅尔式集热器各部分的能量守恒方程如下：

图1 传热模型

（1）玻璃管外表面：

（2）金属管外表面：

（3）金属管内：

式中：qDNI为输入到真空集热管表面的热流密度，W·m-2；Ag为玻璃管表面积，m2；αg、τg分别为玻璃管吸收率、透过率；QR，rg为金属管与玻璃管之间的辐射换热，W；QR，sg为环境与玻璃管之间的辐射换热，W；Qc，ag为空气与玻璃管之间的对流换热，W；αr为金属管吸收率；Qk，r为金属管导热，W；qm为吸热工质质量流量，kg·s-1；Cp为吸热工质比热容，J·kg-1·K-1；Ti、To分别为吸热工质进、出口温度，K。

那么线性菲涅尔式集热器的热损失Qloss为：

1.2 主要参数计算

（1）玻璃管与环境空气之间的对流换热：

式中：hag为对流换热系数，W·m-2·K-1；Nuag为努赛尔数[8]；λa为空气的导热系数，W·m-1·K-1；dg为玻璃管外径，m；Tg、Ta分别为玻璃管壁温、环境温度，K。

（2）玻璃管与环境之间的辐射换热：

式中：σ为斯特藩-波尔兹曼常数，σ=5.67×10-8W·m-2·K-4；εg为真空玻璃管发射率；Ts为天空温度，K。

（3）玻璃管与金属管之间的辐射换热：

式中：Tr为金属管外壁温度，K；εr为金属管发射率；Ar为金属管外表面积，m2。

本文采用C语言对建立的传热模型进行了程序化，通过循环迭代最终可以计算得出线性菲涅尔式集热器的热损失等相关参数。

2 集热回路及运行模式

本文选取的研究系统是现阶段主流的熔盐线性菲涅尔式聚光集热系统，由于该系统一般由多个相同的集热回路组成，因此本文只选择一个回路作为研究对象。熔盐线性菲涅尔式集热回路的主要参数如表1所示：

表1 熔盐线性菲涅尔式集热回路主要参数表

熔盐线性菲涅尔式聚光集热系统在白天集热工作模式时，二元熔盐从冷熔盐罐流入系统总管，随后分别流入各集热回路，在回路中吸热升温后，流回到热熔盐罐。

3 计算结果及分析

本文采用自行编制的计算程序，针对DNI（太阳法向直接辐射）变化和熔盐流速变化两种情况，分别计算了熔盐线性菲涅尔式集热回路在白天集热工作模式下的热损失及出口熔盐温度。计算过程中，环境温度、风速、进口熔盐温度保持不变，分别为20℃、2.5m/s、290℃。

3.1 DNI变化时的计算结果

DNI变化会引起集热管表面的热流密度发生变化。本文将真空集热管内的熔盐流速固定为1m/s，分别计算得出了DNI由650W/m2逐步增加到1000W/m2时单位长度下的集热管热损失以及回路出口熔盐温度，如图2所示。

图2 DNI变化时的计算结果

由以上计算结果不难看出，在其他条件保持不变时，单位长度下的集热管热损失、回路出口熔盐温度随着DNI的增长呈现出近乎线性增长的趋势。在DNI为650W/m2时，单位长度下的集热管热损失、回路出口熔盐温度分别只有695.2W/m、468.3℃；而当DNI增长到1000W/m2时，以上两者分别增长至994.6W/m、571.7℃。这主要是由于DNI升高会使集热管表面接收的能量增多，那么集热管和熔盐吸收的热量也将随之增加，进而提高了集热管和熔盐的整体温度，由此产生的集热管与外界环境间的辐射和对流换热也将增大。

熔盐线性菲涅尔式聚光集热系统在运行过程中DNI会随时发生变化，如果不对系统进行调节，那么就会出现热损失过大、出口熔盐温度不满足要求等情况。因此，针对DNI的变化需要采取有效的手段（如调节熔盐流速、适当散焦等）来保证系统的安全、稳定运行。

3.2 熔盐流速变化时的计算结果

本文将DNI固定为750W/m2，分别计算得出了熔盐流速从0.7m/s逐步增加到1.3m/s时单位长度下的集热管热损失以及回路出口熔盐温度，如图3所示。

从图3可以看出，随着熔盐流速的增加，单位长度下的集热管热损失、回路出口熔盐温度都将下降。具体来看，单位长度下的集热管热损失从908.7W/m下降至712.5W/m，回路出口熔盐温度从579.9℃下降至451.5℃。从实际物理过程来分析，熔盐在集热管内流速越快，其受热升温的时间就越短，因此在其他条件保持不变时，熔盐流速越快，回路出口熔盐温度就越低，这意味着集热管内熔盐温度将整体降低，相应的集热管温度也将整体降低，进而会使集热管与外界环境间的辐射和对流换热有所降低。

图3 熔盐流速变化时的计算结果

基于以上分析，调节熔盐流速可以作为保证系统正常运行的有效手段之一，但熔盐流速的调节有一定的范围，过低的熔盐流速会使熔盐温度过高而发生分解，过高的熔盐流速会增加泵的功耗和扬程。

4 结束语

本文采用自编程序对熔盐线性菲涅尔式集热回路在白天集热工作模式下的热损失等参数进行了计算分析，结果表明：在白天集热工作模式下，集热器的热损失和回路出口熔盐温度随着DNI的增加而升高，随着熔盐流速的增加而降低。因此，熔盐线性菲涅尔式聚光集热系统在白天运行的过程中，要时刻关注DNI的变化，同时需要采取各种有效手段（如调节熔盐流速、一次反射镜适当散焦等）来维持系统的稳定运行。