槽式太陽能集熱器聚光傳熱特性淺析

韋 彪

（河海大學水利水電學院，江蘇南京，210098）

槽式太陽能集熱器聚光傳熱特性淺析

韋 彪

（河海大學水利水電學院，江蘇南京，210098）

以槽式太陽能集熱器為研究對象，基于槽式真空集熱器光學理論，使用SolTrace建立集熱器模型，并運用射線追蹤法進行了輻射計算及分析，獲取了吸熱管吸熱面熱流的分布特性。研究結果為進一步研究槽式真空吸熱管傳熱特性提供了理論依據。

槽式太陽能集熱器；射線追蹤法；輻射熱流分布

符號說明

L ——吸熱管長度，mB ——集熱器開口寬度，m d ——集熱器開口深度，m

f ——焦距，mD ——直徑，mAa——聚光器的有效面積，m2

Ar——吸熱管的表面積，m2C ——幾何聚光比——集熱器的邊界角，°

下標co 玻璃管外表面ci 玻璃管內表面ro 金屬管外表面ri 金屬管內表面

太陽能是目前應用最廣、最具發展潛力的新能源之一，槽式太陽能熱發電技術在光熱發電研究領域較為成熟。但要實現大規模商業化，還需有效降低成本，提高光熱轉換效率。因此，有必要對集熱器光熱轉換機理、聚光傳熱特性開展進一步的研究。本文在理論研究基礎上使用基于射線追蹤法的SolTrace軟件建立了槽式真空集熱器的模型，并分析了集熱管吸熱面熱流的分布特性。

1　槽式真空集熱器光學理論

如圖1所示，聚光器接受自然陽光的開口面積與吸熱管表面積的比值就是幾何聚光比，可表示為不考慮的遮蔽效應，由式（1）可得

因為吸熱管吸收所有反射光線的最小直徑是：

其中0.267°指太陽光不平行夾角的角半徑，即16′。所以幾何聚光比的理論最大值

若不考慮太陽光不平行夾角，顯然Dmin等于0，即光線聚集于焦點。拋物線的方程式是

圖1　槽式真空集熱器截面示意圖Fig.1 Schematic of cross-section of parabolic trough collector

2　方法與模型

2.1射線追蹤法

SolTrace是由美國國家可再生能源實驗室(NREL)開發，用于太陽能發電光學系統建模與性能分析的軟件工具。SolTrace運用射線追蹤法可快速準確地給出仿真結果，以散點圖、熱流密度分布圖及光學性能圖的格式進行仿真結果數據的顯示與存儲。射線追蹤法是從表面1隨機選擇一組射線，然后觀察哪些射線到達表面2，基本輻照度與收集的射線數量成線性比例關系。對于槽式太陽能集熱器，需要用兩次這種算法，第一次在太陽與聚光器表面之間，第二次在聚光器與接收器之間。用戶可定義被追蹤的射線數量，當遇到不同的光學元件會產生相應的相互作用，這些相互作用可通過概率分布的方式描述，也可以是確定性描述。射線追蹤法的優點是再現了光子的運動軌跡，能對復雜的、不便建模的光學系統進行精確的仿真，缺點是處理時間過長。仿真精度取決于被追蹤的射線數量，數量越大，精度越高，但處理時間也越長。

2.2建立模型

本文選用美國LUZ公司生產的LS-2型槽式真空集熱器為研究對象，將仿真結果與Jeter S M和Sheldon M關于LS-2型槽式真空集熱器的計算結果進行比較分析，以檢驗模擬的準確性。模擬通過驗證后，在相同的仿真環境設置下，采用類似于美國LUZ公司生產的LS-3型集熱器，結合意大利新技術能源與環境委員會（ENEA）提供的關于LS-3型集熱器的實驗數據，進行建模仿真。表1給出了LS-2型和LS-3型集熱器的主要參數。

表1　槽式集熱器主要參數Tab.1 Parameters of parabolic trough collector

首先對槽式真空集熱器的實際模型進行簡化，提出如下假設：(1)不考慮太陽光的不平行度，由光源發出平行光，太陽輻射強度為1000 W/m2；(2)系統無跟蹤誤差；(3)拋物槽式聚光器是理想拋物面且鏡面反射；（4）文獻[6]中的計算表明可以認為管表面在軸向輻射能流分布是均勻的，本文研究吸熱管圓周方向的輻射能流分布。根據表1列出的參數，對LS-2型集熱器與LS-3型集熱器分別建立模型。

3　結果與分析

3.1LS-2型集熱器的仿真結果與分析

圖2是LS-2型集熱器的金屬管吸熱面的輻照度圖，橫坐標表示圓周角，0°和-90°的定義分別見圖1；縱坐標表示局部光強度與太陽輻射強度之差。由圖2可見，熱流密度曲線分布如下：(1)=0°附近，局部熱流密度因反射光的減少而迅速降低，即局部熱流密度衰減區；(2)=-8°附近，局部熱流密度達到最大值；(3)在-80o～-8o間，是熱流密度遞增區；(4)=-90°附近，由于吸熱管對陽光的遮蔽效應，局部熱流密度突然降低，即遮蔽效應區。保存光線和圖表數據并導出進行數據擬合，將模型仿真結果與Jeter S M和Sheldon M的計算結果進行比較，見圖3，兩種方法得到的結果基本吻合，具有相似的分布規律，證明本模型具有較好的準確性。Jeter S M和Sheldon M考慮了太陽光不平行夾角，而本文暫不考慮太陽光不平行夾角。太陽光不平行夾角對表面輻射能流分布是有影響的，不考慮不平行夾角時，太陽光易于聚焦到一點，使得仿真得到的能流分布曲線在=0°附近下降迅速。

3.2LS-3型集熱器的仿真結果與分析

為保證準確性，保持LS-3型集熱器的仿真環境設置與LS-2型集熱器的相同。模型中的設定參數取自ENEA公布的關于LS-3型集熱器的實驗數據。其中C是f等于1660mm的實際最大值。對這種情況進行分析，并相應得到輻照度圖，見圖4。

圖2　圓周吸熱面的輻照度圖Fig.2 The Irradiance Map on circle direction

圖3 表面輻射能流分布模擬計算值與文獻值比較Fig.3 The radiation heat flux distribution，values of simulation and in reference

圖4中，熱流密度曲線分布趨勢和LS-2型集熱器相似。圖中的熱流密度曲線分布如下：(1＞0°表示陽光直射區，光強度等于太陽輻射強度，所以差值為0；(2)=-8°附近，局部熱流密度衰減區；(3)=-15°附近，局部熱流密度達到最大值；(4)在-82o ～-15o間，為熱流密度遞增區；(5)=-90°附近為遮蔽效應區。

這里模擬了LS-3型集熱器在實際DSG（直接產生蒸汽）系統中達到最大幾何聚光比時的狀況。圖中反映了在不考慮太陽光不平行夾角等情況下，LS-3型集熱器吸熱管的表面熱流分布特性。保存相應的光線和圖表數據并導出，進行數據處理后可以作為后續研究LS-3型集熱器傳熱特性時的管壁熱流邊界條件。

圖4　LS-3型集熱器圓周吸熱面的輻照度圖Fig.7 The Irradiance Map on circle direction in case 4

4　結論

本文以槽式真空集熱器光學理論為基礎，通過SolTrace軟件對集熱器進行了建模、輻射計算與分析，獲取了吸熱面熱流的分布特性。結果表明，集熱器金屬管吸熱面的熱流密度曲線由遮蔽效應區、熱流密度遞增區、熱流密度衰減區和陽光直射區組成。將求解得到的熱流密度分布數據進行處理，作為管壁能流分布的邊界條件。此結果為進一步研究LS-3型集熱器的真空吸熱管管壁輻射能流分布和管內傳熱特性之間的聯系與規律，提供了理論基礎和仿真方法。

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[6]肖杰,何雅玲,程澤東等.槽式太陽能集熱器集熱性能分析[J].工程熱物理學報,2009,30(5):729-733. XIAO Jie, HE Yaling, CHENG Zedong et al. Performance analysis of parabolic trough solar collector[J].Journal of Engineering Thermophysics, 2009,30(5):729-733

Brief Analysis of Concentrating Characteristic of Parabolic Trough Collector

Wei Biao
(College of water conservancy and hydropower, Hohai University,NanJing 210098,China)

Based on optical properties of parabolic trough solar collector,models of collector were established to research the concentrated flux density distribution by SolTrace.Results of calculation provide a theoretical foundation for further research on heat transfer characteristics in the receiver tubes of parabolic trough solar collectors.

parabolic trough solar collector； ray tracing method；flux distribution

韋彪 (1986—)，男，江蘇揚州人，碩士，實驗師。