槽式太陽能集熱系統傳熱計算與分析

韋 彪

（河海大學水利水電學院,江蘇 南京,210098）

0 引言

在眾多新能源中，太陽能是應用最廣、最具有發展潛力的清潔能源之一。采用太陽能進行大規模集中式發電將發揮重大作用。槽式太陽能熱發電技術要實現大規模商業化，還須有效地降低成本，提高光熱轉換效率。因此，有必要對集熱器傳熱特性進一步研究。本文對槽式太陽能集熱系統提出了一種熱力計算的方法，結合實際驗證了算法的合理性，根據算法對設計的DSG集熱系統進行了傳熱計算和分析，證明了系統設計的合理性。

1 槽式SEGS太陽能發電技術

槽式拋物面反射鏡太陽能熱發電系統簡稱槽式太陽能熱發電系統（SEGS）。它是將眾多的槽型拋物面聚光集熱器，經過串并聯的排列，從而可以收集較高溫度的熱能，加熱工質，產生蒸汽，驅動汽輪機發電機組發電。系統的吸熱工質為油時需要采用雙回路。

槽式太陽能熱發電系統具有規模大、壽命長、成本低等特點，非常適合商業并網發電。整個電站系統由下列部分組成：聚光集熱子系統、換熱子系統、發電子系統、蓄熱子系統和輔助能源子系統。

槽式太陽能熱發電站的聚光集熱子系統是整個系統的核心，是指將多個槽型拋物面聚光集熱器（Solar Collector Assembly，簡稱SCA）經過串并聯的方式排列。每個SCA又由若干個聚光集熱單元（Solar Collector Elements，簡稱SCE）構成。聚光集熱器由接受器、聚光器和跟蹤裝置構成。接收器（集熱管）實質上是一根作了良好保溫的金屬圓管（吸熱管），在金屬圓管外面套了一根同心玻璃圓管。聚光器由槽式拋物面反射鏡和支架組成，反射鏡裝在支架上，由跟蹤裝置自動跟蹤太陽。

2 槽式DSG太陽能發電技術

在槽式太陽能熱發電的研究領域，水工質直接產生蒸汽（Direct Steam Generation，簡稱DSG）系統的槽式太陽能集熱器是近些年發展的一種新技術。與SEGS系統相比，DSG系統省去了換熱環節。

采用DSG系統的優點是費用低，效率高，系統運行時的熱損減小。DSG系統的缺點是運行工況復雜、控制系統復雜以及設備的應力應變較大。DSG系統方式分為一次通過方式、再次循環方式和逐次注入方式。本文主要研究一次通過方式。一次通過方式是指過冷水進入吸熱管吸熱，經過液相區、兩相區和過熱區，最后形成過熱蒸汽進入汽輪機發電。優點是結構簡單成本較低。缺點是吸熱管管內尤其是兩相區的流動狀態復雜，流動不穩定，吸熱管管內流體和管壁溫度變化幅度大，是DSG系統中最難控制的方式。

3 槽式集熱器的結構

槽式太陽能集熱器主要包括接收器、聚光器和跟蹤機構三個部分。

槽型拋物面反射鏡為線聚焦裝置，陽光經鏡面反射后，聚焦為一條線，接收器就放置在這條焦線上，用于吸收聚焦后的陽光，加熱管內的工質。所以接收器實質上是一根作了良好保溫的金屬圓管。槽型拋物面反射鏡有真空集熱管和空腔集熱管兩種結構型式，目前槽式太陽能集熱管使用的主流是直通式金屬—玻璃真空集熱管，本文研究的也是真空集熱管。

真空集熱管是一根金屬圓管，它表面涂覆高溫選擇性吸收膜，如黑鉻、黑鎳等，為了降低集熱損失，在金屬圓管外面套一根同心玻璃圓管，夾層內抽真空，既保護集熱管表面的選擇性涂層，又降低集熱損失，采用可閥合金作玻璃與金屬之間的封接。

這種真空集熱管主要用于短焦距拋物面反射鏡，以增大吸收表面，降低光照面上的熱流密度，從而降低熱損失。它的主要優點是熱損失小。它的主要缺點，一是運行過程中，由于玻璃管和金屬管之間的封接技術要求很高，很難做到在戶外運行條件下長期保持夾層內的真空度；二是高溫下涂層容易老化和脫落，難以長期維持性能。目前這種結構的代表產品有以色列Solel公司生產的外膨脹真空集熱管和德國Schott公司生產的內膨脹真空集熱管。

一臺槽型拋物面聚光集熱器由很多拋物面反射鏡單元組成。反射鏡采用低鐵玻璃制作，背面鍍銀，鍍銀表面涂上金屬漆保護層。鏡面的設計與制作工藝和塔式太陽能熱電站中的平面反射鏡大體上一樣。因為要有一定的彎曲度，其加工工藝較平面鏡要復雜。反射率是反射鏡最重要的性能。反射率隨反射鏡使用時間增加而降低。

槽型拋物面反射鏡根據其采光方式，也就是軸線指向，分為東西向和南北向兩種布置形式，因而它有兩種不同的跟蹤方式。通常南北向布置作單軸跟蹤，東西向布置只作定期跟蹤調整。每組聚光集熱器均配有一個伺服電動機。由太陽輻射傳感器瞬時測定太陽位置，通過計算機控制伺服電機，帶動反射鏡面饒軸跟蹤太陽。跟蹤方式分為開環、閉環和開閉環相結合三種控制方式。

4 傳熱原理及計算

圖1是帶有玻璃管的集熱器的傳熱流程圖。為清晰起見，圖中省略了集熱器的光學損失。引起光學損失的有集熱器的非理想鏡面、跟蹤誤差、遮擋效應和表面清潔度等。集熱器的主要傳熱流程如下：有效的入射太陽能（入射太陽能除去光學損失的部分）主要被吸熱管表面的選擇性吸熱涂層所吸收。被吸熱涂層吸收的一部分能量經吸熱管導熱和吸熱管管內對流換熱傳遞給吸熱工質；一部分能量通過對流和輻射傳給玻璃管，經玻璃管導熱，再通過與周圍環境的對流和輻射產生熱損；還有部分能量通過集熱器的波紋管產生導熱熱損。一維模型中的熱平衡方程可以表示為：

圖1 集熱器的傳熱流程圖Fig.1 Flowchart of heat transfer for collectors

根據集熱器的穩態傳熱原理，通過集熱器的熱平衡方程和熱損方程得到有效熱能方程，建立了徑向傳熱的一維模型；把吸熱管離散成N個控制體，在每個控制體內部建立一維模型，在控制體之間根據邊界的連續性建立了軸向傳熱的二維模型。針對管內不同吸熱工質，模型中加入相應的對流換熱系數和壓降等重要參數的計算。集熱管內為水工質時，要分不同相區進行計算，并計算環狀流最小流量等。

建立的數學模型采用數值計算方法，使用Matlab進行了編程求解。一維穩態傳熱計算問題為多元非線性方程組的求解問題，使用Matlab的fslove函數通過最小二乘法對其進行最優化求解；二維穩態傳熱計算中，涉及吸熱工質（水工質、導熱油）的多種熱力參數，通過調用相應熱力性質計算程序完成。

本文針對不同工質的槽式太陽能集熱系統，分別建立了集熱器的傳熱模型。DSG系統是近些年發展的一種新技術，與傳統系統采用導熱油介質相比，效率更高，更具有研究價值。本文以采用真空集熱管的一次通過式槽式DSG系統太陽能集熱器為研究對象，進行了集熱系統的熱力計算。

5 模型驗證

可以結合槽式太陽能集熱器熱性能測試實驗驗證模型。實驗中需要測量的物理量主要有溫度、幅照度、流量、風速等，可以使用數據采集儀把溫度傳感器、幅照表、流量計、風速儀輸出的信號進行A/D轉換，再傳給計算機，由計算機對數據進行處理和分析。這里主要說明通常實驗中使用的溫度傳感器。

鉑電阻是一種高精度測溫標準傳感器。鉑電阻在中溫（-200℃～650℃）范圍內得到廣泛應用。鉑電阻的阻值與溫度之間存在非線性關系，可用多項式來描述。根據IEC標準751-1983：

式中 A=3.96847×10-3；B=-5.847×10-7；R0—標稱電阻，；Rt—溫度為t℃時的電阻值，。

鈾熱電阻Pt100有三種接線方式：二線制接法、三線制接法、四線制接法。不同的接線方法對應不同的精度要求。二線制接法電源與信號共用兩根導線，沒有考慮測溫電纜的電阻，因此只能適用于測溫精度較低的場合。三線制接法電源正端與信號輸出的正端分離，但它們共用一個負端，消除了連接導線電阻引起的測量誤差，測量精度高于二線制，作為過程檢測元件，其應用最廣。四線制接法兩根引線為鉑熱電阻提供恒流源I，把電阻R轉換成電壓信號U，再通過另兩根引線把U引至數據釆集儀器。這種接線方法可以完全消除引線的電阻影響，主要用于高精度溫度測量。這里要求在0～450℃（723K）溫度范圍內測量的準確度為±0.1℃，因此釆用四線制接法，精度等級選A級。

圖2表示沿程隨著吸熱管內水工質溫度的升高，集熱器熱損的變化情況。這里計算熱損時是根據集熱器的熱損除以集熱器的開口面積得到的。從圖中可知，在相同的邊界條件和初始條件下，實驗值和模擬值之間誤差較小，吻合較好，證明本文集熱器模型具有較好的準確性。

圖2 集熱器沿程的熱損模擬對比

按照文獻[6]的條件進行數值計算，把模擬值與文獻[6]的數據進行對比，如圖3所示，表示當其他參數不變時，不同的質量流量下吸熱管的總長的變化。從圖中可知，本文模擬值和文獻值良好吻合，同樣證明本文集熱器模型具有較好的準確性。根據擬合公式，兩者數據都呈現線性分布。

圖3 不同流速下吸熱管的總長模擬對比

6 集熱系統熱力計算

根據建立的模型對DSG集熱系統進行熱力計算。系統設計的初始條件和邊界條件有：太陽輻射強度為1000 W/m2，質量流量為0.8 kg/s，系統的管長約為600m，水工質的入口溫度為393K，入口壓力為4MPa。

計算結果如圖4所示，得到出口為673K左右的過熱蒸汽。在基本參數條件下，液相區沿程水工質溫度基本呈線性升高，但擬合公式表明并非完全線性；兩相區中因為受壓降的影響，水工質溫度下降，但下降程度很小，約為2K；氣相區與液相區類似。液相區和兩相區中吸熱管外壁—水工質的溫差都逐漸減小，氣相區中溫差先增大后減小，且達到最大值約16K。

圖4 沿程水工質溫度和吸熱管外壁一水工質的溫差

7 結論

運行中吸熱管壁溫的最大值是DSG集熱系統的重要參數，它要低于吸熱管表面的選擇性吸熱涂層的最大工作溫度。目前關于吸熱涂層的最大工作溫度，還沒有確定的數據，有資料表明Sole公司和Schott公司生產的吸熱涂層可以在713K下穩定工作，所以當水工質溫度達到673K時，周圍的吸熱管管壁和工質之間的溫差不能超過40K。本文的計算結果在溫差為20K以下的范圍內，滿足目前吸熱涂層可承受的最高溫度要求，證明了系統設計的合理性。

[1]王軍,張耀明,劉德有等.太陽能熱發電系列文章(8)槽式太陽能熱發電DSG技術[J].太陽能,2007,(2):26-29.

[2]羅運俊, 何梓年,王長貴.太陽能利用技術[M].北京:化學工業出版社, 2006: 4-14.

[3]李吉林.90國際溫標：常用熱電偶、熱電阻分度表[M].北京：中國計量出版社，1998.

[4]韋以明.電橋溫度計的實驗研究[J].現代電子技術，2007，30(4)： 28-31.

[5]M Eck,W D Steimnann. Modelling and Design of Direct Solar Steam Generating Collector Fields[J].Journal of Solar Energy Engineering,2005,127(8):371-380.

[6]S D Odeh,M Behnia,G L Morrison.Hydrodynamic Analysis of Direct Steam Generation Solar Collectors[J].Journal of Solar Energy Engineering,2000, 122(1): 14-22.

[7]莊逸峰,賈正源.我國太陽能開發利用現狀及建議[J].科技和產業, 2008, 8(9): 5-6.