線聚焦菲涅耳太陽能集熱、蓄熱空調系統的仿真模擬

趙曉凱

1. 上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070 2. 上海電氣分布式能源科技有限公司 上海 200070

線聚焦菲涅耳太陽能集熱、蓄熱空調系統的仿真模擬

趙曉凱1，2

1. 上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070 2. 上海電氣分布式能源科技有限公司 上海 200070

概述了由線聚焦菲涅耳集熱器、單/雙效溴化鋰吸收式制冷機、高溫熔鹽蓄熱罐，以及其它輔助設備組成的太陽能集熱、蓄熱空調系統，對菲涅耳集熱器的集熱性能、單/雙效吸收式制冷機的制冷性能，以及整個系統在夏季典型工況下的運行情況進行了模擬與研究。研究結果表明：系統能夠根據太陽輻照強度的不同和用戶實際的使用需求有針對性地運行，具有較好的靈活性與可靠性，為中溫太陽能的熱利用提供了參考。

線聚焦菲涅耳集熱器； 單/雙效溴化鋰吸收式制冷機； 太陽能； 仿真

1 課題背景

線聚焦菲涅耳集熱器是在槽式集熱器[1]的基礎上發展而來的一種聚光型集熱器，具有集熱溫度高、系統復雜性小、搭建維護性好等特點，在太陽能發電、制冷等領域應用具有良好的技術經濟性。

當前線聚焦菲涅耳太陽能集熱器更多著眼于高溫發電領域，在中溫領域的研究和應用不足。Bermejo[2]等人建立了一個由線聚焦菲涅耳集熱器驅動的雙效吸收式空調系統，制冷功率為180kW，日平均集熱效率為35%，最高集熱效率為40%，制冷機日平均能效比約為1.1。此外，Chemisana等[3-4]研究了基于線聚焦的中溫太陽能空調系統，所產生的熱量供給雙效溴化鋰吸收式制冷機，并與基于真空管集熱器的單效溴化鋰吸收式制冷系統進行對比，指出菲涅耳集熱式太陽能空調系統的優勢與不足。

Pincemin等[5]制備了應用于太陽能熱發電溫區的膨脹石墨和無機鹽復合材料。Adine、Qarnia[6]給出了利用殼管式換熱結構進行相變蓄熱的系統數值模擬方法，并比較了使用一種相變材料與使用兩種不同相變材料的相變換熱系統的蓄熱性能，同時分析了影響蓄熱的關鍵因素。

基于以上研究背景，筆者設計搭建了由線聚焦菲涅耳集熱器驅動的集熱、蓄熱空調系統，采用最新研發的單/雙效溴化鋰吸收式制冷機及以三元熔鹽[7]為蓄熱材料的蓄熱罐，通過模擬與試驗對系統性能進行了研究。

2 系統組成

太陽能集熱、蓄熱空調系統位于上海電氣集團股份有限公司中央研究院，主要由4部分組成：線聚焦反射式菲涅耳太陽能集熱器、單/雙效溴化鋰吸收式制冷機、熔鹽蓄熱罐和自動監控系統。此外，系統還包括冷卻塔、板式換熱器、電加熱器、風機盤管與管道，以及其它輔助設備。

2.1 線聚焦菲涅耳太陽能集熱器

太陽能集熱器選用線聚焦反射式菲涅耳太陽能集熱器，原理如圖1所示，系統安裝及聚光效果如圖2所示，設計參數見表1。

圖1 線聚焦菲涅耳太陽能集熱器原理圖

圖2 集熱器安裝及聚光效果

表1 菲涅耳太陽能集熱系統設計及運行參數

腔體吸收器具有多種形式，方形腔體吸收器的光學效率僅低于圓弧形腔體吸收器[8]，且具有易于加工和安裝的特點。綜合考慮，選用方形腔體吸收器作為試驗系統的吸收器結構形式，其設計圖與實物圖如圖3所示。

圖3 方形腔體吸收器

2.2 單/雙效溴化鋰吸收式制冷機

溴化鋰制冷機選用一臺由太陽能驅動的新型單/雙效溴化鋰吸收式制冷機，其原理與實物如圖4所示。

圖4 單/雙效溴化鋰吸收式制冷機

該吸收式制冷機采用熱水驅動，在太陽能熱源溫度較低時以單效模式運行，隨著線聚焦菲涅耳太陽能集熱器出口工質溫度的提高，可以自動切換至雙效模式，以提高太陽能的利用效率，在最大程度上提高系統的平均能效比。根據模擬結果，當熱水進口溫度高于85℃時，制冷機以單效模式運行，額定制冷功率為91kW，此時機組能效比約為0.6；而當制冷機的熱水進口溫度高于145℃時，制冷機以雙效模式工作，額定最大設計制冷功率為134kW，機組能效比可達1.1～1.2。溴化鋰制冷機主要性能參數見表2。

表2 溴化鋰制冷機設計參數

2.3 高溫熔鹽蓄熱罐

蓄熱系統為溴化鋰制冷機單效工況運行提供2h 的熱源。導熱油從熔鹽罐中吸熱后，通過板式換熱器和水進行換熱，為制冷機提供熱源。制冷功率為91kW，蓄熱系統蓄放熱效率為80%，板式換熱器效率為95%，制冷機單效工況下的能效比為0.6。

蓄熱量為：

Qin=91×2×3600/0.6/0.76=1437MJ

放熱量為：

Qout=91×2×3600/0.6/0.95=1150MJ

根據熔鹽的物性參數，可以得到熔鹽的質量：

(1)

式中：T為放熱過程中熔鹽的顯熱換熱溫差，設計值取40K；H為熔鹽相變潛熱，75.3kJ/kg；Cp為熔鹽比熱容，1.424kJ/(kg·K)。

蓄熱材料密度約為 1978kg/m3，則體積為 4.4m3，考慮10%的余量，熔鹽儲熱罐體積約為4.84m3。綜合考慮蓄熱材料技術的成熟度、系統成本等因素，儲熱裝置采用管殼式換熱器罐體結構，熔鹽材料置于圓柱罐體內，管內通過高溫導熱油來進行蓄放熱。蓄熱罐實物如圖5所示。

圖5 蓄熱罐實物圖

2.4 輔助設備

(1) 板式換熱器。圓殼式板式換熱器用于導熱油和熱水之間的熱量交換。板式換熱器的計算以太陽能直驅供冷模式下的技術參數為主要參考依據，最終確定板式換熱器的設計換熱功率為145kW；承壓水進口溫度為150℃，出口溫度為140℃，流量為3kg/s；導熱油進口溫度為 200℃，出口溫度為180℃，流量為2.92kg/s ；換熱面積為3m2，壓降為 0.05MPa。

(2) 電加熱器。系統采用一臺加熱功率為30kW 的電加熱器，主要用于夜間谷電價期間對蓄熱裝置進行蓄熱，并且在太陽能不足時作為輔助加熱熱源對系統進行熱量補充。

(3) 膨脹罐。由于整個系統以導熱油為加熱工質，被加熱后會發生體積膨脹，因此需要設計膨脹罐用于滿足系統中導熱油因受熱膨脹而導致的體積增大，保證系統安全。

(4) 儲油槽。儲油槽主要用于各次注油結束后儲存一定的備用油量，同時在排油檢修時用于蓄存系統內的油量，避免導熱油接觸空氣發生變質，進而實現導熱油的循環使用。

3 系統工作模式

系統原理如圖6所示，按照流體工質及功能的不同，可分為兩大子系統，兩大子系統以板式換熱器為界，分別為熱源導熱油子系統和空調水子系統。熱源導熱油子系統由菲涅耳集熱器、蓄熱罐及電加熱器組成。空調水子系統由制冷機、冷卻塔及相應的末端設備組成。

圖6 太陽能集熱、蓄熱及空調系統原理示意圖

系統工作模式如圖7所示，熱源導熱油子系統按照熱源驅動和熱源蓄能方式的不同，可采用六種運行模式，運行模式之間主要依靠電磁閥來實現自動切換。此外，整個子系統還設有注、排油工作模式，用于進行試驗前后的注、排油，這一模式采用手動截止閥開關控制。空調水子系統按照輸入制冷機的熱水溫度分為單效模式和雙效模式。

圖7 系統工作模式示意圖

由上所述，對系統的工作模式做如下說明。

(1) 太陽能直驅模式。在白天日照充足的情況下，集熱器吸收的太陽能可直接驅動制冷機運行，熔鹽蓄熱罐被旁通，集熱器吸收的熱量通過板式換熱器直接傳至制冷機。

(2) 太陽能驅動+分流蓄熱模式。在白天日照充足的情況下，集熱器吸收的太陽能滿足直接驅動制冷機所需的熱量，且有部分多余熱量，此時，連通熔鹽蓄熱罐，將多余的熱量進行存儲。

(3) 蓄熱直驅模式。系統從早上6：00自動開機，到8：00需要制冷，此時間段的集熱量不足以使太陽能集熱器的集熱溫度達到驅動制冷機所需的最低溫度。此外，當系統遇到短時陰雨天氣時，太陽能集熱器也會無法工作。出現上述情況時，在熔鹽蓄熱罐內蓄有足夠熱量的條件下，系統開啟蓄熱直驅模式，此時，太陽能集熱循環被旁通，由蓄熱罐內熔鹽放熱提供系統所需熱量。

(4) 太陽能+蓄熱驅動模式。太陽能集熱器在中午的集熱量最大，在下午則隨著輻照度的減小和集熱器熱損的增大，集熱溫度和集熱量逐漸下降，與此同時，由于室內負荷的延遲性，一般在下午時段仍然有較高的負荷，因此，當集熱器的集熱量不足時，開啟蓄熱環路，對輸入制冷機的熱量進行補充。

(5) 夜間蓄熱模式。在晚間10：00至第二天凌晨的時間段內，可充分利用峰谷電的電價優惠政策，采用電加熱對蓄熱罐進行蓄熱。

(6) 太陽能蓄熱模式。當白天日照充足，且空調水子系統無需開機工作時，太陽能集熱器所吸收的太陽能將直接供給蓄熱熔鹽罐，以達到蓄熱的目的。

4 理論分析

在本次模擬中，采用穩態模型對系統的相關參數進行計算，針對模型中的主要模型部件做以下假設。

(1) 對于集熱器而言，除集熱器熱損外，不計各連接管道間的損失，并忽略集熱器腔體壁、管壁的熱容。

(2) 對于制冷機而言，認為高壓發生器、低壓發生器及吸收器的出口溶液處于飽和狀態，冷凝器出口冷劑水與蒸發器的出口冷劑蒸汽處于飽和狀態，且發生器內無熱量損失，蒸發器內無冷量損失。

(3) 不計工質在流動管道中的熱量和壓力損失。

(4) 不計各溫度、壓力傳感器在測量過程中的測量誤差。

4.1 集熱器光學性能

計算菲涅耳太陽能集熱器的光學性能時，首先由文獻[9]計算得到太陽的高度角αs和方位角γs。參考杜春旭等[10]對于東西放置南北跟蹤的菲涅耳太陽能聚光系統跟蹤傾角的研究，計算得到適用于本系統的鏡面傾角β，以及光線的入射角θ。在已知純光學效率η0[11]的前提下，考慮由集熱器結構決定的余弦效率ηy、截斷效率ηr及陰影遮擋效率(經分析，陰影遮擋效率在0.95以上，故可忽略不計)，得到系統的總光學效率：

ηopt=η0ηyηr

(2)

4.2 集熱器集熱性能

對于集熱器而言，吸收熱量的地方為腔體吸收器，其部件性能參數見表3。集熱器吸收的熱量等于投射到吸收器表面的熱量與吸收器自身的熱量損失之差，故根據能量平衡方程有：

Q=moCp1(T0-Ti)=AcIbηopt-Qloss

(3)

式中：mo為導熱油流量，kg/s；Cp1為導熱油比熱容，J/(kg·K)；Qloss為腔體吸收器的熱損失，W；Ac為聚光器的有效聚光面積，m2；Ib為直射輻射輻照度，W/m2；Ti為集熱器進口工質溫度，K;T0為集熱出口工質溫度，K。

表3 腔體吸收器部件性能參數

腔體吸收器的熱量損失主要有輻射、對流及傳熱三部分，結合吸收器的熱量損失，吸收器得到的熱能可以表示為：

Q=η0AcIb-Aa[εaσ(Ts4-Tenv4)+

(4)

式中：h為腔體開口處自然對流換熱系數，W/(m2· K)；λ為保溫材料的導熱系數，W/(m·K)；L為保溫材料的有效厚度，m；σ為斯特藩-玻耳茲曼常量，5.67×10-8Wm2/K4；εa為吸收器表面發射率；Aa為腔體吸收器的開口面積，m2；Ae為吸收面有效導熱面積，m2；Tenv為環境溫度，K；Ts為腔體吸收器表面溫度，K。

腔體吸收器的表面溫度由式(5)得到：

(5)

對于成像聚光系統而言，熱損可認為與吸收器和環境溫差成正比[12]，因此集熱器熱損可表示為：

Qloss=ULAa(Ts-Tenv)

(6)

式中：UL為熱損系數，W/(m2·K)。

根據式(4)和式(6)，可以得到腔體吸收器熱損系數的表達式：

(7)

由式(4)可知，熱損系數是與輻射、對流、導熱有關的函數，式中h是與材料物性及吸收器表面的空氣流動狀態相關的量，對于仿真模擬過程而言是未知量，且式中的腔體表面溫度Ts是無法得知的。因此，一般只能通過試驗測量和計算得到熱損與吸收器進口工質溫度的關系，進而在模擬計算中使用熱損系數UL。

通過測量集熱器的進出口工質溫度Ti、To，可得腔體吸收的熱量Q，進而由式(3)得到腔體熱量損失Qloss，由式(6)得到吸收器腔體熱損系數UL。經過試驗測量，利用最小二乘法進行數據擬合，得到集熱器熱損系數與工質進口溫度的相對關系式：

UL=5.311e0.0117Ti

(8)

集熱器的集熱效率可以表示為在穩態或準穩態條件下，集熱器工質在某時刻有效能量收益與同一時刻聚光器有效面積接收到的太陽輻照量之比，即：

(9)

相應的，腔體吸收器的吸熱效率定義為腔體吸收的熱量與投射到腔體表面的總熱量之比：

(10)

根據吸收器的能量平衡方程，由式(4)、式(7)可以得到：

m0Cp1(T0-Ti)=ηoptIbAc-ULAa(Ts-Tenv)

(11)

則：

(12)

將出口溫度To代入式(9)、式(10)，得到相應的集熱器集熱效率和腔體吸收器的吸熱效率。

太陽能集熱器的瞬時集熱效率可以由系統的歸一化溫差來進行評判，利用傳熱介質的平均溫度，歸一化溫差表示為：

(13)

5 模擬結果與分析

夏季典型工況下的全天運行模擬情況如圖8～圖10所示。從早上開始，由于集熱工質初溫低、太陽輻照度小，因此集熱溫度較低，無法驅動制冷機運行，在此情況下由蓄熱罐驅動制冷機，以單效模式運行。隨著時間的推移，集熱工質溫度升高，當蓄熱罐運行約2h后，集熱器內的工質溫度達到可以驅動制冷機的程度(即85℃以上)，此時，由太陽能集熱器驅動制冷機運行。隨著溫度的進一步升高，運行模式由單效變為雙效。在中午時段，可維持2～3h的雙效制冷模式，在此時段，當熱水溫度高于150℃時，可同時開啟蓄熱模塊，將多余熱量蓄存。進入下午時段，集熱器集熱量減小、集熱溫度降低，制冷機轉為單效模式。運行至下午5：00以后，集熱溫度低于驅動制冷機的最低溫度，此時檢測熔鹽罐內熔鹽的均溫，啟動蓄熱罐放熱模式，系統在兩者的結合模式下運行。

圖8 制冷機熱水進出口溫度變化曲線

圖9 制冷機能效比變化曲線

圖10 制冷機冷凍水溫度變化曲線

6 結論

仿真了由線聚焦菲涅耳太陽能驅動的集熱、蓄熱空調系統，對系統的能量利用進行了理論分析，對系統的運行模式進行建模，并以MATLAB軟件為計算平臺進行了模擬計算，得到以下結論。

(1) 模擬了系統在夏季典型工況下運行的全天集熱溫度，經過板式換熱器熱交換，得到的熱水最高溫度約160℃，全天平均集熱溫度約120℃，熱水溫度能夠滿足驅動單/雙效制冷機的要求。

(2) 得到了制冷機在輸入熱水溫度變化條件下的運行情況，單效模式下能效比約0.6，冷凍水出口溫度為8.4℃。當熱水溫度高于145℃時，在雙效模式下運行，能效比能夠達到1.2，冷凍水出口溫度為7℃。

(3) 通過模擬與試驗確認，由太陽能驅動的空調系統在節約能源的基礎上，較好地做到了為建筑物等提供冷量。在夏季典型工況下，全天有2～3h 以雙效模式運行，制冷效率高，其余時間以單效模式運行。在原有系統的基礎上增加蓄熱模塊之后，對系統的運行起到了平衡的作用，提高了系統運行的靈活性和可靠性。

(4) 由模擬與試驗對比驗證了系統模擬的正確性，而準確性有待提高，其原因在于模擬的過程中，對管道中各種壓力及熱量損失均忽略不計、實際的氣象參數與模擬數值具有一定的差異、溫度測量過程中存在誤差等。對于模擬中的精確性差異，可視今后的運行情況進行適當修正。

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Provided a general description of heat collection with solar energy and thermal storage air conditioning system that is composed of Fresnel collectors with line focusing， single/double-effect lithiumbromide-absorption refrigerating machine, high-temperature molten salt heat storage tank and other auxiliary equipment. The heat collection performances of Fresnel collector，cooling performance of single/double-effect absorption refrigerating machine and the operating condition of the overall system under ideal conditions in summer were simulated and investigated. Studies have shown that：The system can run in accordance with different intensity of solar irradiation and users demand in practical use with sound flexibility and reliability and can provide a reference for medium-temperature heat utilization of solar energy.

Fresnel Heat Collector with Line Focusing； Single/double-effect Lithiumbromide-absorption Refrigerating Machine； Solar Power； Simulation

2016年5月

趙曉凱(1990— )，男，碩士，助理工程師，主要從事微網設計及規劃工作， E-mail: zhaoxk@shanghai-electric.com

TM615；TP271

A

1674-540X(2016)04-036-07