抛物槽式太阳能集热器实验研究

中国工程热物理学会 工程热力学与能源利用

学术会议论文 编号：091197

抛物槽式太阳能集热器实验研究

王亚龙

1,2

，刘启斌，隋军，赵芫桦，宿建峰， 李和平，金红光1

1

1

3

3

3

（1.中国科学院工程热物理研究所，北京 100190；2.中国科学院研究生院，北京 100049；3.中国华电

工程（集团）有限公司，北京100044）

（Tel:010-82543027 Emai: [email protected]）

摘要：本文采用新型真空管吸收器、YD300型合成导热油，对抛物槽式太阳能集热器进行了实验研究。深入分析了抛物槽式太阳能集热器循环流速，进口温度，太阳能辐照强度等重要参数对集热性能的影响。结果表明，辐照相同时，集热效率随着流量的增大而增大，由于系统热容的影响，温度响应具有一定的滞后性；当辐照不变时，集热效率随着导热油进口温度的增大而减小；集热效率随着进口温度的增加而减小；系统热损失与循环工质温度和环境温度之差近似呈线性增加。本文为在中国建立大型抛物槽式太阳能热发电站提供了实验依据。 关键词：太阳能 槽式集热器 集热效率 滞后性

0 引言

目前，槽式太阳能热发电是太阳能热发电技术研究的热点领域。各国学者对槽式太阳能的光学特性和换热特性开展了广泛的理论研究。Evans［1］，Jeter［2，3］等人通过积分分别对抛物槽式平板型接收器和圆管型接收器进行了详细的光学特性分析，得到了圆管型接收器热流密度分布，，国内学者王志峰在Evans的基础之上对抛物槽式圆管型接收器管内流动与换热进行了数值模拟［4］，何雅玲［5］，谈和平［6］等人用蒙特卡罗光线追踪法对抛物槽式太阳能集热器聚光和换热特性分布进行了分析研究，得到了与Jeter相似的结论。目前文献大都对槽式集热器的光学特性分析和集热管换热特性数值模拟计算,国内尚没有槽式集热性能的实验验证。美国Sandia国家实验室Dudly等人使用铬黑和金属陶瓷两种选择性镀膜对SEGS中典型的LS2进行了实验研究［7］，得出了LS2型真空玻璃套管的集热效率和热损失与流体温度之间的多项关系式，未考虑集热器末端损失和管套之间波纹管和金属支架对系统散热损失的影响，之后有文献对他此进行了修正［8］。太阳能热发电集热系统中结构参数（如聚光比、吸热管等）、运行参数（工质流量、进口温度等）以及之间的耦合关系等对集热效率的影响举足轻重，并且对于不同的集热系统目前缺乏具有普适性的计算方法，因此，进行抛物槽式集热器实验研究就显得尤为重要。

本文采用新型的金属陶瓷镀膜真空管吸收器，YD300型合成导热油，实验研究了抛物槽式集热器的集热性能，分析了太阳辐照强度，循环工质进口温度、流速等重要参数对槽式太阳能集热器性能的影响，如集热效率，散热损失等，该研究将为在中国建立大型抛物槽式太阳能热发电站提供实验依据。

基金项目：中国华电集团科研基金（CHKJ-2008-2）国家自然科学基金资助项目（No. 50836005）

1 实验系统

图1是实验装置流程示意图。主要包括储油罐、循环泵、预热器、抛物槽式集热系统、冷却水系统、膨胀罐和数据采集系统。通过控制阀门开关，导热油可以在储油罐内自循环进行预热，也可以直接通过太阳能集热系统行成回路。首先，导热油罐中的油经循环泵泵通过预热器加热达到一定温度后，进入太阳能集热系统。在太阳能吸热器吸收太阳热能，然后进入一个管壳式换热器。换热器另一侧为冷却水，导热油被冷却至一定温度，回到导热油罐中，完成一个循环。通过调整冷却水的流量，使导热油罐中的导热油温度保持恒定。考虑导热油受热膨胀和蒸发特性，在装置最高点设置膨胀罐，起到稳压和缓冲作用。

导热油入口温度的范围50～250℃，进口流量由0.10～1.0 m３/h。这样，可以得到不同入口温度，流量下的集热特性。

图1 实验装置流程示意图

抛物槽聚光系统东西放置，单轴跟踪方式，如图2所示。跟踪装置有自动和手动两种调节方式，吸热管间依次插入12支Pt100 A级精度铂电阻温度传感器以测量各吸热段温度，精度等级为±0.15℃；太阳直射辐照强度由直射表测定，精度为±1%；导热油流

图2 实验装置实物图

量由金属浮子流量计测量，精度1级。数据采集由安捷伦数据采集器自动采集，记录各测点的集热温度与各个时刻的辐照强度。

（1）波纹管 （2）玻璃套管 （3）吸收管 （4）吸气器 （5）除气环

图3 真空集热器结构示意图

图3 为单个集热管的结构示意图。包括不锈钢吸收管，外面包裹玻璃套管、除气环、波纹管。金属管表面外侧镀有选择性金属陶瓷涂层，该涂层对于太阳光谱具有很高的吸收率，而对于长波光谱具有很低的发射率，从而减少了金属吸收管对外的辐射热损失。玻璃套管由耐热玻璃制成，在高温下具有优良的强度与透过率。在玻璃套管与金属吸收管之间抽成真空，这样处理一方面可以减少因对流造成的热损失，另一方面可以保护金属管外表面的选择性涂层。在玻璃套管与金属管封接处使用波纹管，这样可以匹配金属吸收管与玻璃套管的热膨胀。

吸收器与槽式太阳能集热器结构参数如表1所示。

表1吸收器与槽式太阳能集热器主要性能参数

项目

参数

聚光比 70 聚光镜长度(m) 12 聚光镜采光口宽度(m) 2.5

集热管内径集热管外径(m) 0.0635

玻璃管内径玻璃管外径镀膜吸收率 > 0.9 玻璃套管透射率 0.92 集热管耐压(MPa) 3

玻璃导热系数（W/mK）金属管的导热系数金属管镀膜发射率 （100℃时0.08，300℃时0.2）

实验中使用的工质为北京燕通石化公司生产的YD-300型合成导热油，实验中考虑

了导热油物性随温度的变化，关联式如下：

ρ=−9×10-5T2−5.6664×10-1T+1.1685×103（kg/m3）

λ=4.80×10-8T2-1.1×10-4T+1.4998×10-1(W/m-K) Cp

=3.50029×10T+0.76223(kJ/kg-K)

-3

µ=5.44676×10

−6

T4-1.07599773×10−2T3+7.9543315T2-2.61158067×103T

+3.2229685×105 (µPas) 2 实验数据处理方法

实验中，集热器可认为运行在稳定状况下。此时，集热器的能量平衡方程为：

Qtol=IηoptA

（1） （2） （3） （4）

Qeff=ρVCp(To-Ti) Qloss=Qtol-Qeff

η=Qabs/IA

式（1）～（4）中，Qtol、Qeff、Qloss分别为集热系统接收到的总能量，流体介质吸收的热量以及集热系统散热损失，单位为W；η为集热效率；I为垂直照在抛物槽上的太阳辐照强度，W/m2；A为抛物槽的开口面积，m2；ηopt为光学效率；ρ为流体的密度，kg/m3；V为流体的流量，m3/s；Cp为工质的定压比热容，J/kgK；Ti、To分别为集热器进出口流体温度，℃。

集热单元的散热损失计算采用采用一维稳态模型［8，9，10］，假设集热管周向温度分布均匀。

3 结果与讨论

3.1太阳辐照强度与导热油出口温度的关系

在实际运行中，在一天当中，集热管有效直射辐照随着时间一直在变化，在流速和进口不变的情况下，出口温度随流量的大小变化而变化。图5是进口温度为120℃，流量分别为0.20、0.26、0.38 m3/h时导热油出口温度随太阳辐照强度的变化关系。可以看出，出口温度与辐照强度近似成线性关系。其中太阳辐照强度为接收器有效直射辐射强度（下文相同）。

出口温度 T/oC

辐照强度I W/m2

图4 进口温度相同，不同流速与出口温度之间的关系

3.2太阳辐照强度对集热效率的影响

集热效率随辐照强度的变化关系如图5所示。实验时间为2009年6月3日上午10：30到下午14：30得到的实验值，由图中可以看出，在同样的辐照强度下，下午的集热效率值高于上午，集热效率的最大差值约10%。这主要因为，在刚开始运行时，由于集热系统温度较低，吸收热量的一部分用于加热金属吸热管和波纹管，金属支架；而正午12点以后，随着有效太阳辐照强度减小，整个集热管路系统温度较高，导热油的温度并不会立刻减小。因此，由于系统热容的影响，温度的响应表现出一定的滞后性。这一特征对实际太阳能热发电集热系统的设计有着重要的作用。

集热效率 η

辐照强度I/ W/m2

图5 集热效率与太阳辐照关系

表2是从中午12：00到下午15:45所得到的实验值，由表中可以看到，辐照强度中正午时最大，随着时间增加而近似成正弦函数降低。

表2流量为0.38 m3/h实验数据 （2009-4-26）

时间

Ti (℃)

To (℃) 174.2 172.9 182.2 186.2 178.7 187.2 188.5 181.9 181.9 176.6 169 162.7 157.9 154.5 144.8 133.9

I (W/㎡) 809 804 751 697 635 573 500 485 380 328 306 268 221 180 138 100

η (%)

0.5595 0.4569 0.5118 0.5419 0.4600 0.5328 0.5877 0.4811 0.6337 0.6326 0.5584 0.5534 0.6321 0.7156 0.5653 0.4241

12： 12： 12： 12： 13： 13： 13：

13： 14： 14： 14： 14： 15： 15： 15： 15：

图6为太阳辐照强度与集热效率之间的关系，流量分别为0.10，0.20和0.38 m3/h。实验数据均是正午12：00之后获得，表2为其中的一组。由图中可以看出，集热效率随着导热油流速的增加而增加，管内换热由于流速的增加而增强。当辐照小于300 W/

㎡时，集热效率较高，这可能也是由于系统热容引起，系统温度响应较慢。

集热效率 η

2

辐照强度I W/m

图6 集热效率与太阳辐照关系

当流量为0.20和0.38m3/h，集热效率范围在50％～65％之间，在这个流速范围内，流动为湍流过渡区。当流量为0.10m3/h时，管内流动已变为层流，集热效率均在30％之下，换热性能急剧恶化。因此，导热油循环流速的选择对于集热器的换热特性影响很大。

3.3导热油入口温度对集热效率的影响

图7为同一流速下导热油进口温度对集热效率的影响，如图所示，当太阳辐照强度不变时，集热效率随着导热油进口温度的增加而减小。在同一辐照强度下，进口温度由60℃增加到220℃时，集热效率减小约8%。这是因为，随着流体入口温度的增加，吸热管内流体平均温度越高，集热装置对外的热损失越大，这点可以在图8中可以得到验证。在同一进口温度下，当有效太阳辐照由400变化到800W/㎡，集热效率最大偏差在10％以内，与图6一致。

集热效率 η

o

进口温度 Ti/C

图7 进口温度与集热效率的关系

3.4 流体温度与散热损失之间的关系

图8为集热系统热损失与工质和环境温差之间的关系，风速为3m/s，计算采用一维稳态模型。热损失包括玻璃套管与大气环境的对流和热辐照，金属支架和波纹管的导热损失。由图中可以看出，散热损失与流体平均温度近似成线性关系。当工质平均温度是240℃时，总热损失为900W左右，其中集热管之间的波纹管和支架的热损失占到了总245W，约占总热损失的25％。因此，对抛物槽式实验台集热管之间间隙长度设计和支架连接处使用的材料显得尤为重要。

散热损失 W/m2

流体平均温度 oC

图8 流体温度与散热损失之间的关系

4 结论

本文对30 m2东—西轴跟踪的槽式太阳能集热器进行了实验研究，实验工况为：太阳辐照范围200～900W/m2，流量范围0.10～1m3/h，导热油入口50～250℃。结果表明：在流速一定时，系统集热效率随进口温度增加而减小，由于系统热容对温度的响应具有一定的滞后性，同一天下午的集热效率要高于上午；在同一辐照与流速下，入口流速越大，集热效率越大；得出了在不同流体平均温度下散热损失的大小，集热管之间的波纹管和支架对系统的热损失很大，当平均温度240℃，风速为3m/s时可达到总散热损失的25％，本文为在中国建立大型抛物槽式太阳能热发电站提供实验依据。

参考文献

［1］ D.L. Evans. On the performance of cylindrical parabolic solar concentrators with flat absorbers.

Solar Energy, 1977, 19: 379-38

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［3］ S.M. Jeter. Analytical determination of the optical performance of practical parabolic trough

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［5］ 肖杰, 何雅玲, 程泽东, 陶于兵, 徐荣吉. 槽式太阳能集热器集热性能分析. 工程热物理学报,

2009, 30(5): 729-733

［6］ 帅永, 张晓峰, 谈和平. 抛物面式太阳聚光特性模拟. 工程热物理学报, 2006，27（3）：484-486 ［7］ V.Dudley, G.Kolb, M.Sloan,et al. Test Results:SEGS LS2 Solar Collector. Report of Sandia National

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抛物槽式太阳能集热器实验研究

作者：作者单位：

王亚龙， 刘启斌， 隋军， 赵芫桦， 宿建峰， 李和平， 金红光

王亚龙(中国科学院工程热物理研究所，北京 100190 中国科学院研究生院，北京 100049)， 刘启斌,隋军(中国科学院工程热物理研究所，北京 100190)， 赵芫桦,宿建峰,李和平(中国华电工程（集团）有限公司，北京 100044)， 金红光(国科学院工程热物理研究所，北京 100190)

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