槽式太陽能集熱器設計研究

魯紅光 馬祿彬 楊曉軍

摘要：指出了槽式太陽能熱發電技術核心在于通過聚光集熱器將太陽能轉換為熱能將水加熱成過熱蒸汽。從聚光集熱著手，分析了槽形拋物面的光孔面上直射輻照度的計算方法，對集熱器的有用能量收益及熱損進行了研究，為槽式太陽能集熱器設計提供了依據。

關鍵詞：太陽能;太陽能輻射;聚光集熱器;換熱器

中圖分類號：TK513 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）18-0196-02

1引言

太陽能的特點是能量密度較低，為了獲取較高的集熱溫度，就必須通過聚光集熱來實現，而槽式太陽能集熱器由于在較高的溫度下仍能保持較高的集熱效率，引起了人們的重視，并在工業上得到了廣泛的應用。高溫蒸汽可用于發電，而低溫蒸汽可用于工業應用、醫療衛生和海水淡化。通過槽式太陽能聚光集熱系統產生蒸汽通常有兩種方法：①直接產生蒸汽的DSG系統。②傳熱流體在集熱器內循環加熱，在換熱器中將水加熱成高溫蒸汽的雙回路系統。

這些方法各有優缺點。在DSG系統中，少了換熱系統，降低了成本，當沸騰發生時壓降降低，從而降低了電力消耗。此外，潛熱傳遞過程將整個太陽能集熱器的溫升降至最低，從而降低了熱應力，但穩定性較差，主要是接收管沸騰段周向溫差大，會產生較大的溫差應力。為了克服DSG系統的缺點，采用傳熱流體循環的系統，通過換熱器產生蒸汽，這種方法是太陽能蒸汽發電系統中最主要的方法。傳熱流體系統壓力低，控制簡單，然而，傳熱流體大多數是易燃的，且相對昂貴，還存在污染問題。此外，由于水的傳熱特性比傳熱流體好得多，與使用DSG系統相比，需要更高的流速、更高的傳熱溫差和更大的泵功率才能獲得等效的能量輸送量。更高的接收管溫度對于實現經濟有效的熱交換也是必要的，這會導致集熱器效率降低。

通過對槽式太陽能聚光集熱系統進行分析研究表明，投射在集熱器上的太陽總輻射中僅有48.6%的太陽輻射能量用于蒸汽發電，其余能量以不同的形式流失：①集熱損失（41.5%）、②散熱損失（6.9%）和③由于將水從環境溫度提高到100℃消耗的能量（2.2%）和支架散熱（0.5%）而造成的能源損失。

2太陽能蒸汽產生模型

2.1槽式太陽能聚光集熱系統PTC

PTC的基本元件包括①位于聚光器焦線上的金屬接收管，②同心玻璃罩管，③拋物面聚光器。PTC是將太陽直接輻射反射到金屬接收管，加熱接收管中傳熱流體。在所有太陽能集熱技術中，PTC被認為是高性能太陽能聚光集熱系統，可以提供高達400℃的高溫。接收管通常是一根金屬管，包裹在玻璃罩管中，夾層抽真空，以最大限度地減少散熱損失。在金屬管表面涂上選擇性吸收涂層，以增強吸收和降低發射率。槽型拋物面反光鏡根據其采光方式分為東西向放置、南北向放置。采用單軸跟蹤，跟蹤方式根據控制類型可分為光敏定日、公式定日、混合控制，其中混合控制跟蹤精度最高。

2.2太陽輻射計算

首先要確定投射到聚光器上的太陽能總輻射，在選擇合適的跟蹤系統時，選址、應用季節、電站運行情況是需要考慮的關鍵因素。為了計算投射到聚光器上的太陽能總輻射，定義以下幾個角度。

（1）地理緯度ψ：赤道以北為正，以南為負，-90°≤ψ≤90°;

（2）太陽赤緯δ：是地球赤道平面與太陽和地球中心的連線之間的夾角，赤緯角的日變化可用下式近似計算為：

在4種模式中，模式3南北水平布置單軸跟蹤為目前最常用的模式。

2.3PTC的熱性能分析

圖1為聚光集熱物理模型和熱網，為分析方便，假設如下：集熱管溫度Tp和玻璃罩管溫度Tg在橫截面上均勻;在玻璃罩管與接收管之間為真空，其間對流換熱忽略不計;玻璃罩管與拋物線型反射鏡面間的對流與輻射換熱為O;金屬接收管導熱系數大，管壁熱阻忽略不計。

依據熱平衡原理，建立集熱器瞬時能量平衡方程，求得集熱器的有用能量收益Qu（w）為：

3結語

本文通過對槽式太陽能聚光集熱系統進行分析，采用傳熱流體與水、蒸汽雙回路系統目前更適合太陽能熱發電系統，在集熱器的布置上，采用南北向水平布置單軸跟蹤，跟蹤控制采用光敏定日和公式定日相結合的混合控制，使控制跟蹤精度更高。在對集熱器入射角的計算上引進了國外經驗公式，使四種布置的槽形拋物面的光孔面上直射輻照度計算更加方便。通過建立聚光集熱物理模型和熱網，利用經驗公式計算集熱管熱損失，從而得出集熱器的有用能量收益，為槽式太陽能集熱器設計提供了依據。