納米流體在低倍率聚光中的集熱性能分析

蔣瑜毅

(華能國際長興發電廠,浙江 湖州 313000)

太陽能利用可分為光伏利用與光熱利用兩種，其中太陽能熱利用是可再生能源利用的重要途徑之一，在太陽能熱利用里面，核心技術是如何把太陽的輻射能轉變成熱能[1]。在最近幾年，隨著納米技術的不斷探索發展和在相關應用領域的不斷探究，納米技術在導熱、對流換熱、熱輻射等方面的應用越來越廣泛。本文將試驗所制得的納米流體作為低倍率聚光試驗臺的集熱工質，對其集熱性能進行試驗與分析[2]。

1 試驗臺簡介

本試驗搭建了一套以納米流體為循環集熱工質的聚焦直接吸收式太陽集熱系統。通過菲涅耳透鏡進行聚光，使得工質出口溫度達到中溫水平。該系統裝置連接原理圖如圖1所示。連接流程為：水箱——水泵——流量計——真空集熱管(熱電偶)——換熱器——水箱。

圖1 系統裝置原理圖

由入射光自動跟蹤裝置同時對太陽的高度角和方位角進行定位轉動，使菲涅爾透鏡始終保持對太陽光線的垂直。太陽輻射經菲涅爾透鏡聚焦后，集中投射到玻璃管中部，使集熱管充分接收太陽輻射能量。采用循環水泵將系統內的工質持續循環，經過水泵之后分別經過流量控制器進入集熱真空管。納米流體按一定的速率在集熱管內流動，工質從玻璃管進口到出口的流動過程中，不斷吸收太陽輻射以及與集熱管內壁間的對流換熱而升溫。納米流體從集熱管流出后繼而進入散熱器將熱量傳遞到循環冷卻水中，從而使集熱器的進口溫度始終維持在初始環境溫度。整個系統由集熱器、雙軸跟蹤系統、水泵、閥門、散熱器和流量計構成。本試驗系統的示意圖如圖2所示。

圖2 集熱器試驗系統示意圖

2 戶外試驗

試驗測量在戶外進行，測試地點為上海，時間為5月中旬。試驗當日天氣晴朗，風速為2～3 m/s，環境氣溫27℃左右。熱電偶最大校正偏差為±0.2℃，試驗所用流量計精度為0.2級。試驗時，選擇場地空曠的地區，以免高樓建筑的陰影對試驗產生影響。由于存在風速的對流換熱影響，故而在試驗時人為設置建設屏障，減小此干擾因素。

圖3所示為集熱器出口的瞬時溫度試驗時，通過散熱器將進口溫度保持在27℃～27.3℃。圖4為該段時間內太陽輻照強度曲線。

圖3 集熱器出口溫度

圖4 太陽輻照強度

5月正是初夏，太陽照射強度不穩定，中間出現小段較大波動。在800～1 600 s，太陽輻照強度達到最頂峰，而三種納米流體的溫度也都急速上升，TiN-EG上升速率最快。而之后的1 600～2 000 s太陽輻照強度明顯減弱，而TiN-EG、C-EG兩種納米流體的溫度也出現明顯的下降趨勢，并在下降到一定溫度后才開始緩慢上升，TiN-H2O則是因為遠沒到達最高溫度值而能夠保持持續上升狀態，但是同樣上升趨勢明顯減緩。本次試驗太陽輻照強度始終在450～700 W/m2之間浮動，就光照強度而言并不理想。由于太陽輻射儀所測得的太陽輻照強度是全輻射強度，而本文試驗器材所用的菲涅爾透鏡采用的是一定角度的入射輻射，那么試驗實際太陽輻照強度應略低于測得的數值，由此看來實際的太陽輻照強度是低于700 W的。觀察兩圖的曲線波動情況可以看出，納米流體所能達到的溫度是由太陽輻照強度決定的，當太陽強度過低時，會對試驗的集熱管的工作產生較大的影響。

納米流體在太陽的輻射下溫度開始升溫，集熱器的出口溫度開始持續升高，在經歷為期一小時的試驗后，TiN-EG、C-EG、TiN-H2O三組納米流體都先后達到最高溫度，并將溫度維持在較小波動范圍內。試驗過程中，當各納米流體達到相應最高峰后，光照強度不同時，納米流體能達到的最高溫度也不同，所得的集熱效率也不同。集熱器流速不宜過高，過高的流速會導致集熱工質在集熱管中流動時，尚未達到最高溫就已經到達出口。故而應多次試驗，選擇合適的流速，即集熱工質流量。

考慮到納米流體流速會對試驗結果產生較大影響，故而試驗采用循環加熱的方法對納米流體進行測試。納米流體在試驗系統中被循環加熱，溫度也持續上升。將納米流體的流速從1 L/h緩慢上升至5 L/h。觀察出口溫度變化后，再選擇合適的工質流速。試驗結果可知，當納米流體流速維持在1 L/h至4 L/h之內皆可使納米流體在通過集熱管的一段時間內將溫度提升至最高，為便于計算，試驗將工質流速調至0.000 05 m3/s。

從圖3中可以看出，TiN-EG最先達到最高溫度43.2℃，且用時最短27 min。而CEG和TiN-H2O上升都相對較為緩慢，直到50 min時才達到最高溫度，分別為39.5℃、36.7℃。TiN-EG、CEG、TiN-H2O三組納米流體的最大溫差分別為16℃ 、12.3℃ 、9.6℃。由此可見，TiN-EG的溫升最高，TiN-H2O的溫升最低，但這受到各納米流體的比熱容影響很大，TiN-EG的比熱容最小，而TiN-H2O的比熱容最大。而三種納米流體的集熱量應當是各自的吸熱量，而不能用溫度來表示。所以要比較三者的集熱效率就必須進一步計算。

試驗過程中，集熱流體單位時間內的吸熱量Qi[3]可計算為

(1)

式中mn——納米流體的質量流量；cn——納米流體的比熱容；dT——單位時間內的集熱管進出口溫差。

聚光工況下集熱器的瞬時集熱效率ηi，可以由流體獲得的熱量與接收到的太陽輻射能之比來表示。試驗中，單位時間內太陽的瞬時輻射量可計算為

(2)

式中A——聚光器開口采光面積；G——太陽輻照度；V——太陽輻照儀測量所得電壓參數；ε——太陽輻照儀靈敏度。

考慮到跟蹤誤差、陰影遮擋、鏡面與集熱管污漬等各種影響因素的存在，引入聚光器光學總效率ηr加以修正，瞬時效率可計算為

(3)

式中ηi——集熱器的瞬時集熱效率；ηr——聚光器光學總效率。

聚光器光學總效率：

ηr=Trec·Tfre·Tw

(4)

式中Trec——集熱管透光率；Tfre——光學透光性；Tw——集熱器總污染系數。

以三種納米流體作集熱工質時的集熱器瞬時功率如圖5所示。

圖5 集熱器瞬時效率

由圖5可知，TiN-EG、C-EG、TiN-H2O三種納米流體的最大瞬時功率分別為83.6%、71.2%、69.56%。平均集熱效率為一定時間段內納米流體獲得的總熱量與接收到的太陽總輻射能之比。且經計算，試驗最后10 min內，在TiN-EG、C-EG、TiN-H2O三種納米流體都已經維持在最高溫度，且波動較小，此時平均集熱效率分別為70.8%、59.2%、57.7%。

由于太陽輻射儀所測得的太陽輻照強度是全輻射強度，而本文試驗器材所用的菲涅爾透鏡是一定角度的入射輻射。則試驗實際太陽輻照強度應略低于測得的數值，故而計算所得的集熱器效率會略小于實際值。

3 熱損失分析

太陽輻射被透明真空管內的納米流體吸收后，集熱器內的溫度便會高于外界環境溫度，集熱器的內管壁會通過輻射將熱量傳遞到外層玻璃管的內壁Q1，同時由于內外玻璃管之間難以保持絕對真空而產生熱傳導Q2，而后熱量通過外管壁以輻射和對流的方式散熱到外部環境中，這兩種散熱損失分別為Q3，Q4，如圖6所示。而聚光器光學總效率ηr也受到這四種散熱損失所影響[4]。當集熱器玻璃管內的納米流體溫度不斷上升時，散熱損失也隨之上升，則聚光器光學總效率ηr也會隨之下降。

圖6 納米流體在集熱管中吸熱與散熱原理圖

現假設納米流體接收太陽輻射并轉化為熱量Q0計算公式為[5]

Q0=αTgG

(5)

式中α——納米流體對太陽光的總吸收率；Tg——雙層玻璃管的透過率；Tg=0.86；G——太陽總輻射強度。

集熱器的內管外壁會通過輻射將熱量傳遞到外層玻璃管的內壁從而形成熱損失，內、外玻璃管之間的單位管長的輻射散熱損失Q1計算公式為

(6)

式中σ——波爾茲曼常數；σ=5.67×10-8W/(m2·K4)；Tw1，Tw2——內外玻璃管壁溫；d1，d2——內外玻璃管直徑；d1=0.01 m，d2=0.02 m；ε1，ε2——內外玻璃管發射率；ε1，ε2取0.9。

非理想試驗下，本試驗中內外層玻璃管間實際必然會有微量空氣存在，內外管之間的非真空導熱損失Q2也必然存在。但此散熱損失相較于內外玻璃管之間的輻射散熱損失而言非常小，故而在實際試驗計算推導中可以忽略不計。

外層玻璃管對環境的輻射散熱損失Q3的計算公式為

(7)

由于外界環境具有一定的空氣流動，即戶外試驗時的空氣中的風速對試驗存在擾動，外管壁與環境中空氣的對流散熱損失Q4計算公式為

Q4=hfπd2(T2-Ta)

(8)

(9)

式中Vw——外界風速；Va——空氣運動粘度；Ta——外界溫度。

本試驗中，為減少外管壁與環境中空氣的對流散熱損失Q4，故而在試驗時認為設置建設屏障，可將對流散熱損失忽略不計。

集熱過程的總散熱損失QL的計算公式為

QL=Q1+Q2=Q3+Q4

(10)

以集熱效率相對最高的TiN-EG為例，納米流體穩定在最高溫后，當其處于最高集熱效率點時，將試驗數據代入式(10)，可得：

吸熱量：Q0=2.59 J

太陽輻射量：QG=4.35 J

內、外玻璃管之間的輻射散熱損失：Q1=1.57 J

真空導熱損失：Q2=0 J

外層玻璃管對環境輻射散熱損失：Q3=1.54 J

對流散熱損失：Q4=0 J

總散熱損失：QL=1.76 J

計算發現，所得數值存在少量偏差，但基本符合規律。由計算結果可以看出，集熱器效率未達100%，主要由散熱損失造成，其余熱損失應為聚光偏離損失，無法計算。因此，減少散熱損失也是提高集熱器效率的有效手段。

4 結語

(1)三種不同材料的納米流體在接受相同光照條件的情況下，雖然溫度上升的速率不同，但從上升達到平穩趨勢所需要的時間基本相同，在1 600 s左右。

(2)納米流體所能達到的溫度是由太陽輻照強度決定的，故而，當太陽強度過低時，會對試驗的集熱管的工作產生較大的影響。

(3)相同體積分數和相同光程的情況下，氮化鈦—乙二醇相比于氮化鈦-水和碳化鈦—乙二醇有著更好的吸收特性，所以三者相比而言，氮化鈦—乙二醇更適合作為低倍率聚光試驗裝置的集熱工質。

(4)通過熱損失計算分析，集熱器效率主要受到內、外玻璃管之間的輻射散熱損失，真空導熱損失，外層玻璃管對環境輻射散熱損失，對流散熱損失的共同影響，集熱器效率未達100%，主要由散熱損失造成，其余熱損失應為聚光偏離損失，無法計算。所以減少散熱損失也是提高集熱器效率的有效手段。