天气对槽式太阳能集热系统热性能的影响

王 迪，王 华

(河南理工大学机械与动力工程学院，焦作 454000)

0 引言

随着世界经济的增长，传统能源的逐渐短缺，新能源的发展日益受到关注[1]，太阳能资源在不同领域均有广泛应用[2-4]。其中，槽式太阳能集热系统作为广泛应用的中温集热装置[5-6]，其热性能受工质入口温度、工质流量、太阳辐射[7]、环境温度[8]、集热管管周方向热流密度[9]等一系列因素的影响。

为提高槽式太阳能集热系统的热性能，很多研究者从不同角度研究了影响槽式太阳能集热系统集热效率的因素。宋子旭等[10]提出一种适用于抛物槽集热器的新型太阳能腔式吸热器，研究了该新型腔式吸热器的三维传热模型，研究结果显示：该吸热器的集热效率随着日法向太阳直接辐照度、环境温度的升高而增加；吸热器入口传热流体温度越高，环境参数对吸热器集热效率的影响越大。王蒙等[11]研究了蒙特卡罗光线追踪法模拟不同辐射强度时集热管的上能流密度分布，研究结果表明：入口流体温度和流速、管壁粗糙度增大均会对集热管集热性能造成不利影响。高鑫磊等[12]针对一种槽式太阳能新型腔式吸热器建立一维非稳态传热模型，并采用Matlab 软件对该吸热器在13 个典型地区进行全年集热性能分析，分析结果显示：在太阳能资源丰富地区，该吸热器的年集热量可达其在太阳能资源缺乏地区的5～6 倍；该研究结果对不同太阳能资源地区的槽式太阳能集热系统研究具有指导意义。姚远等[13]设计制作了重量更轻、镜面曲率精度更高的商用槽式太阳能集热器，实验结果显示：在太阳辐射强度为540～660 W/m2时，该装置可将循环水加热至170 ℃以上，集热效率最高可达52%，该研究为槽式太阳能集热器优化设计提供了参考。张任丽等[14]基于TracePro 光学模拟软件设计了一种槽式太阳能空气集热器，分析了不同因素对其集热性能的影响，实验结果表明：该空气集热器存在最佳空气流速(4.4 m/s)，该研究可为槽式太阳能空气集热器在日光温室中的应用提供参考。程有良等[15]对槽式太阳能集热器建立热模型，并从热力学角度对其进行分析，分析结果表明：槽式太阳能集热器中吸收管的吸热过程是主要的㶲损失环节，为集热器性能进一步改进提供了依据。

槽式太阳能集热系统的传热工质多为水和空气，以空气为传热工质的太阳能集热系统的集热温度较低，而以水为传热工质的太阳能集热系统的集热管在冬季容易出现结冰等问题。因此，本文基于河南省焦作地区的天气特点，以采用导热油为传热工质的15.3 m2槽式太阳能集热系统为例，针对天气状况、集热管入口流体温度、法向太阳直接辐照度等因素对该集热系统集热效率的影响规律开展实验测定和分析。

1 实验装置及实验条件

1.1 实验装置

本文以采光面积为15.3 m2的槽式太阳能集热系统为例，其主要包括控制系统、槽式太阳能集热器、辅助加热系统、热利用系统、储油罐、热电偶、循环泵、油气分离装置、传动及跟踪系统，其中槽式太阳能集热器包括反射镜和真空集热管，循环泵用于导热油的循环。该系统的控制系统配置高温保护、风速保护等功能。该集热系统的结构示意图和实物图如图1 所示。

本装置中的槽式太阳能集热器由8 片反射镜组成，反射镜为抛物面形；真空集热管由金属内管和玻璃外管组成[18]，玻璃外管的外径为90 mm，金属内管的外径为40 mm，金属内管的外表面涂有选择性吸收膜层[19]，该膜层具有较高的吸收率和较低的发射率[20-21]。反射镜的开口宽度为2.55 m、焦距为0.85 m，长度为6 m，总集热面积为15.3 m2。本槽式太阳能集热器的主要参数如表1 所示。

表1 本槽式太阳能集热器的主要参数Table 1 Main parameters of trough solar collector in this paper

本槽式太阳能集热器沿焦线东西向水平布置，采用南北跟踪的方式。依托传动及跟踪系统，槽式太阳能集热器实现实时跟踪太阳，将太阳辐射聚焦到集热管上，从而加热导热油[16-17]。本槽式太阳能集热器的传热工质采用WRY-320 型导热油，导热油不同温度时其各项性能参数变化曲线如图2 所示。

图2 WRY-320 型导热油不同温度时的性能参数变化曲线Fig.2 Performance parameter variation curves of WRY-320 heat transfer oil at different temperatures

图2 中的导热油密度y1和比热容y2的拟合公式分别如式(1)和式(2)所示。

式中：T为导热油温度，℃。

由于集热效率、㶲效率此类指标对应的值是综合较长时间测试结果的平均值，因此，短时间内的导热油流量变化对集热系统性能测试结果的影响很小，故认为循环泵中导热油的流量稳定在4.5 m3/h。

此外，本槽式太阳能集热系统还配有独立的型号为YG-QXZ-250 的小型自动气象站，用于实时记录实验地点的法向太阳直接辐照度、太阳辐照量、环境温度和湿度情况。该小型自动气象站各参数的测量精度如表2 所示。

表2 自动气象站各参数的测量精度Table 2 Measurement accuracy of various parameters of automatic weather station

1.2 实验条件

导热油的流量设为4.5 m3/h；反射镜每日清洁，以确保每日反射率相同；控制晴天时槽式太阳能集热器入口流体(即导热油)温度为28 ℃，由于不同天气所能维持的导热油最高温度不同，因此在阴天、雾霾、多云天气时不控制集热器入口流体温度。

2 槽式太阳能集热系统的热性能计算

槽式太阳能集热系统的热性能可以用集热效率ηw和㶲效率ηex来表征。

集热效率的计算式可表示为：

式中：EQ为导热油热量增量，kJ；Es为太阳辐射提供的总能量，kJ；t为时间，s；Cp为导热油的比热容，kJ/(kg·℃)；m为导热油的总质量，kg；ΔT为集热器出入口导热油的温差，℃；A为集热器的集热面积，m2；I为法向太阳直接辐照度，W/m2。

㶲效率ηex的计算式[22]可表示为：

式中：Ex,h为导热油的焓㶲，kJ；Ex,s为太阳辐射㶲，kJ；Ta为环境温度，K；T1为集热器入口导热油温度，K；T2为集热器出口导热油温度，K。

太阳辐射㶲的计算式[23]可表示为：

式中：Ts为太阳表面温度，K。

3 影响因素分析

气象行业相关标准中将云量小于10%的天气称为晴天，云量为30%～70%的天气称为多云，云量大于70%的天气称为阴天。以天气预报结果为依据，选取焦作地区2021 年11 月18—21日的4 个典型天气(分别为晴天、阴天、雾霾、多云)，并选取同为晴天且环境温度相同的11 月13 日作为11 月18 日的对照组。下文分别针对天气、集热器入口流体温度、法向太阳直接辐照度对槽式太阳能集热系统集热效率的影响，以及法向太阳直接辐照度、集热器入口流体温度对槽式太阳能集热系统㶲效率的影响进行分析。

3.1 天气对槽式太阳能集热系统集热效率的影响

为研究天气对槽式太阳能集热系统集热效率的影响，需首先研究天气对法向太阳直接辐照度、太阳辐照量、集热器出口流体(即导热油)温度的影响。

不同天气下的法向太阳直接辐照度和太阳辐照量变化情况如图3 所示。

图3 不同天气下的法向太阳直接辐照度和太阳辐照量变化情况Fig.3 Changes in normal solar direct irradiance and solar irradiation under different weather conditions

由图3 中可知：13 日和18 日均为晴天，从这两天可以看出，法向太阳直接辐照度增长和降低时的曲线均比较平滑，法向太阳直接辐照度均是在一天中的正午时分达到最大值，之后逐渐减弱，且13 日的法向太阳直接辐照度最大值大于18 日的数据。而19—21 日分别为阴天、雾霾、多云天气，这3 种天气均对法向太阳直接辐照度和太阳辐照量有影响，其中，雾霾天气时的值最低。

不同天气下的集热器出口导热油温度和环境温度变化情况如图4 所示。

图4 不同天气下的集热器出口导热油温度和环境温度变化情况Fig.4 Variation of outlet oil temperature of heat collector and atmospheric temperature under different weather

从图4 可以看出：晴天时，集热器出口导热油温度较高，说明槽式太阳能集热系统的集热温度较高；阴天时法向太阳直接辐照度较晴天时减弱，这是因为太阳被云层遮挡，槽式太阳能集热器接收到的法向太阳直接辐照度减少，导致集热器出口导热油温度降低，说明槽式太阳能集热系统的集热温度降低；雾霾天气时的法向太阳直接辐照度最低，这是因为空气中的颗粒物削弱了太阳辐射，集热器出口导热油温度降低，槽式太阳能集热系统的集热温度为4 天中的最低值，说明雾霾天气对集热器的集热影响最大；多云天气时的法向太阳直接辐照度波动最大，这是因为太阳偶尔会被云层遮挡。

不同天气下一天中槽式太阳能集热系统的集热效率变化情况如图5 所示。

图5 不同天气下一天中槽式太阳能集热系统的集热效率变化情况Fig.5 Variation of heat collection efficiency of trough solar energy collection system in different weather conditions for a day

结合图3 和图5 可以发现：

1)晴天时，法向太阳直接辐照度和槽式太阳能集热系统集热效率均呈现先升高后降低的变化趋势，法向太阳直接辐照度最高达630 W/m2，槽式太阳能集热系统集热效率总体分布在0%～49%；10:00 之前，槽式太阳能集热系统集热效率逐步提高，这是因为该时间段集热器入口流体温度较低，进出口的导热油温差较大，而导热油的吸热量占太阳辐射能的比例较大，从而提高了槽式太阳能集热系统集热效率。法向太阳直接辐照度在12:00 时达到峰值，而集热效率在10:00时就已经达到峰值，这是因为随着法向太阳直接辐照度增大，导热油吸收的热量相对减小，再加上该槽式太阳能集热系统本身未供热，导致热量不断积累，若此时有能量输出，则集热系统的集热峰值会延后，且会进一步提高。但随着法向太阳直接辐照度进一步增大，导热油温度不断升高，导热油与周围环境温度的温差增大，其热损失逐渐增大，导致槽式太阳能集热系统集热效率降低。

2)阴天时，槽式太阳能集热系统集热效率呈现先升高后平稳的变化趋势，导致集热效率集中分布在3%～17%，由此可见，阴天会对集热效率产生较大影响。

3)雾霾天气时，槽式太阳能集热系统集热效率总体较低，集中分布在3%～7%，说明雾霾天会对集热系统的集热效率产生严重影响。

4)多云天气时，槽式太阳能集热系统集热效率在09:57 达到最高值34%后迅速下降，这是因为在10:00 之后出现云层遮挡，法向太阳直接辐照度不稳定，导致太阳辐照量大幅降低，从09:57 到11:31，槽式太阳能集热系统集热效率从34%降至9%。

3.2 集热器入口流体温度对槽式太阳能集热系统集热效率的影响

11 月13 日和18 日时，槽式太阳能集热系统集热效率随集热器入口流体温度的变化情况如图6 所示。

图6 槽式太阳能集热系统集热效率随集热器入口流体温度的变化Fig.6 Variation of heat collection efficiency of trough solar collector system with inlet fluid temperature of heat collector

从图6 可以看出：当13 日和18 日的集热器入口流体温度分别低于55.6 ℃和48.5 ℃时，随着集热器入口流体温度的逐渐升高，导热油的动力粘度减小，雷诺数增大，换热效果增强，导致槽式太阳能集热系统的集热效率持续上升。随着集热器入口流体温度的升高，当因雷诺数增大而增大的换热量小于太阳辐照量的增量时，将导致集热系统的集热效率逐渐减小。当集热器入口流体温度在34～81.5 ℃之间时，集热系统的集热效率处于40%～53%之间。

3.3 法向太阳直接辐照度对槽式太阳能集热系统集热效率的影响

选取11 月13 日和18 日这两天的数据，分析法向太阳直接辐照度对槽式太阳能集热系统集热效率的影响。槽式太阳能集热系统集热效率随法向太阳直接辐照度的变化如图7 所示。

图7 槽式太阳能集热系统集热效率随法向太阳直接辐照度的变化Fig.7 Variation of heat collection efficiency of trough solar collectors with normal direct irradiance

由图7 可知：随着法向太阳直接辐照度逐渐增大，槽式太阳能集热系统集热效率先升高后降低，总体维持在30%～53%之间，当法向太阳直接辐照度为350～400 W/m2时，13 日的槽式太阳能集热系统集热效率最高，为53%，18 日的次之。这是因为随着法向太阳直接辐照度的增强，导热油的吸热量占太阳辐照量的比例增高，使得集热系统的集热效率随之逐渐升高；但随着法向太阳直接辐照度的进一步增强，集热管外表面温度也逐渐升高，集热管向外界的辐射热损失逐渐增大，导致集热系统的集热效率出现下降趋势。由于本实验不涉及集热系统的热量输出，集热器入口流体温度过高会使工质在流经集热管时吸热量减少，此外热损失增大也会导致集热系统在未达到最高法向太阳直接辐照度之前其集热效率下降。因此，应该在法向太阳直接辐照度为350～400 W/m2时对集热系统的热量输出加以利用。

3.4 法向太阳直接辐照度对槽式太阳能集热器火用效率的影响

为研究法向太阳直接辐照度对槽式太阳能集热系统㶲效率的影响，选取11 月13 日及18—21 日的数据进行对比分析。不同天气下槽式太阳能集热系统㶲效率随法向太阳直接辐照度的变化如图8 所示。

图8 不同天气下槽式太阳能集热系统火用效率随法向太阳直接辐照度的变化Fig.8 Variation of efficiency of trough solar collectors with normal solar direct irradiance under different weather conditions

由图8 可知：不同天气下，槽式太阳能集热系统的㶲效率基本都呈现出先升高后降低的趋势。随着时间推移，法向太阳直接辐照度逐渐增强，导热油吸热量占太阳辐照量的比例增大，集热系统的㶲效率逐渐升高。随着法向太阳直接辐照度的进一步增强，导热油温度升高导致导热油的吸热量小于太阳辐照量的增量，㶲效率也随之逐渐降低。晴天时，槽式太阳能集热系统的㶲效率最高，集中分布在30.0%～50.7%之间，且13日的值高于18 日的值。这是因为13 日的法向太阳直接辐照度和太阳辐照量均高于18 日的值，相同天气下，法向太阳直接辐照度和太阳辐照量越高，㶲效率也相对较高。本研究中，当法向太阳直接辐照度为403 W/m2时，槽式太阳能集热系统的㶲效率最高，为50.7%；雾霾天气时，槽式太阳能集热系统的㶲效率仅为晴天(13 日)时的10%，由此可以看出，雾霾天气对槽式太阳能集热系统的㶲效率有着严重影响。

3.5 集热器入口流体温度对槽式太阳能集热系统火用效率的影响

选取11 月13 日和18 日这两天的数据，研究集热器入口流体温度对槽式太阳能集热系统㶲效率的影响。槽式太阳能集热系统㶲效率随集热器入口流体温度的变化如图9 所示。

图9 槽式太阳能集热系统火用效率随集热器入口流体温度的变化Fig.9 Variation of exergy efficiency of trough solar collector system with inlet fluid temperature of heat collector

由图9 可知：13 日和18 日时，槽式太阳能集热系统的㶲效率均是先上升，然后缓慢下降。这是因为在这两天，当集热器入口流体温度分别低于53.9℃和47.8 ℃时，随着集热器入口流体温度升高，导热油的动力粘度减小，雷诺数增大，导热油和集热管换热效果增强，焓㶲因导热油的吸热量增大而增大，㶲效率持续上升。但随着集热器入口流体温度的持续升高，因雷诺数增大而增加的换热量逐渐趋于稳定，而太阳辐射㶲因太阳辐射提供的总能量的增大而增大，所以槽式太阳集热系统㶲效率出现下降。当集热器入口流体温度为28.6 ℃时，13 日和18 日㶲效率分别为7.4%和3.8%，当集热器入口流体温度为54 ℃时，13日时的槽式太阳能集热系统㶲效率为50.7%，18日的值为46.3%，由此可知，集热器入口流体温度对槽式太阳能集热系统㶲效率的影响很大。㶲效率体现了能量的利用率，当集热器入口流体温度为32.9～71.4 ℃时，槽式太阳能集热系统㶲效率处于40.0%～50.7%之间，此时热量的利用效率最高。

4 结论

本文基于河南省焦作地区的天气特点，对以导热油为工质的槽式太阳能集热系统开展实验测定和分析，研究天气状况、集热器入口流体温度、法向太阳直接辐照度等因素对该集热系统集热效率、㶲效率的影响规律，得到以下结论：

1)阴天、雾霾、多云天气均对法向太阳直接辐照度和太阳辐照量有影响，其中雾霾天气的影响最大。

2)在4 种典型天气下，晴天时槽式太阳能集热系统的集热效率最高，呈现先升高后降低的变化趋势，集热效率总体维持在30%～53%之间，㶲效率集中分布在30.0%～50.7%；雾霾天气时，槽式太阳能集热系统的集热效率最低，集中分布在3%～7%，这说明天气状况会直接影响集热系统的热性能。

3)槽式太阳能集热系统的集热效率和㶲效率随集热器入口流体温度的升高逐渐提高，入口流体温度在32.9～71.4 ℃之间时，集热效率和㶲效率维持在40%以上，这说明集热器入口流体温度处于该温度段可使集热系统的热量利用率维持在较高水平。

集热效率是热平衡分析时广泛应用的评价指标，但集热效率只能从数值上反映能量利用率的差异，而㶲效率可以从热量数值上对能量的利用程度进行描述，因此，本文以集热效率和㶲效率共同描述太阳能集热系统的热性能。由于本文主要研究了槽式太阳能集热系统本身的热性能情况，无热量的输出和利用。因此，在本文研究基础上热量的输出和利用将成为后续研究的重点。