拋物槽式太陽能集熱器集熱性能的實驗研究

中圖分類號：TK515 文獻標志碼：A

0引言

中國太陽能資源豐富，約有2/3地區的年日照小時數在 2200h 以上，且其年總太陽輻射量大于 ，因此利用太陽能這種清潔的可再生能源，減少碳排放成為促進中國綠色發展的重要方式[1。其中，拋物槽式太陽能集熱器作為應用廣泛的中高溫集熱裝置，能夠將低熱流密度的太陽輻射能通過聚集轉化為高熱流密度的熱能，實現高效的光熱轉換，已引起國內外諸多學者的關注[2]。

張云鵬等[通過數值模擬，對比了不同太陽跟蹤方式對槽式太陽能集熱器聚光性能的影響。對比結果顯示，雙軸跟蹤方式下槽式太陽能集熱器接收的太陽輻射量最高，但單軸跟蹤方式更具成本優勢。Zhang等通過實驗研究了采用U型真空雙玻璃管的拋物槽式太陽能集熱器的熱損失特性，并分析了風速、真空玻璃管、太陽輻射和集熱器結構對熱損失的影響。Lei等[5研究了不同涂層的拋物槽式太陽能集熱器的總熱損失、端損和發射率，并分析了發射率隨溫度升高而先降低后顯著升高的原因。

拋物槽式太陽能集熱器應用于采暖工程時受諸多因素的影響，為提高太陽能利用率，本文依托山東省泰安市某拋物槽式太陽能集熱供暖系統（下文簡稱為“本供暖系統”），搭建專門的實驗平臺，對不同天氣類別、法向直接輻照度、導熱油入口溫度等因素對此類太陽能集熱器集熱效果的影響進行實驗與分析。

1實驗平臺的搭建

泰安市的全年平均氣溫約為 ，年日照小時數為 2450.4h. 。本次的實驗時間為2024年1月13—16日，每天的日照時長約為 8h ，最高環境溫度約為 ，最低環境溫度約為

本供暖系統所采用的拋物槽式太陽能集熱器（下文簡稱為“太陽能集熱器”）采用東西向布置、南北向單軸追蹤的方式安裝，每個集熱單元的凈集熱面積為 ，總集熱面積為 ，集熱單元之間以串聯形式連接。該太陽能集熱器主要由反射鏡和太陽能集熱管組成。反射鏡采用超白浮法玻璃，鍍銀量為 ，銀層外采用銅層保護，銅層的沉積厚度不小于 銅層外層依次為抗氧化保護層和抗紫外保護層；該反射鏡的反射率不小于 94% ；反射鏡曲面精度小于2mrad，且進行了全鋼化處理；反射鏡以時控方式跟蹤太陽轉動，收集太陽漫反射光線，并將光線進行聚焦。太陽能集熱管的長度為4060mm，由玻璃罩管和金屬吸熱管組成，二者之間為真空狀態；玻璃罩管鍍有減反射膜；金屬吸熱管鍍有吸收性涂層，以增強熱量吸收能力。本太陽能集熱器的設計參數如表1所示。

本供暖系統主要用于為某公司的辦公樓供暖，其每天的工作時間為 。實驗平臺通過測量設備記錄數據，測量間隔為 1min 所記錄的數據包括法向直接輻照度、環境風速、干球溫度、濕球溫度、導熱油入口溫度、導熱油出口溫度。通過這些數據，研究上述因素對太陽能集熱器瞬時集熱效率的影響規律。主要的測量設備如表2所示。

本供暖系統實驗平臺由蝸輪蝸桿驅動器、太陽能集熱器陣列、導熱油泵、導熱油罐、油氣分離器、管殼式換熱器、溫度傳感器、干濕球溫度計、流量計、壓力表、直接輻射表、循環水泵、水箱、水位監測器和地板供暖終端組成。實驗平臺的框架如圖1所示。

當水位監測器監測到水位過低時，會自動上水。太陽能集熱器采用的傳熱工質為導熱油，導熱油泵采用工頻模式運行，體積流量為 太陽能集熱器陣列入口和出口處均布置了溫度傳感器，用于測量并記錄導熱油的進出口溫度；直接輻射表布置于實驗平臺的無遮擋處，用于測量太陽輻照度；渦輪蝸桿驅動器用于驅動太陽能集熱器，使其保持對太陽的追蹤；壓力表用于檢測導熱油傳輸管道內的壓力變化，以防止因壓力變化導致的設備損壞等安全隱患。實驗平臺部分設備的實物圖如圖2所示。

2性能評價指標

通常以太陽能集熱器的瞬時集熱效率 η 來評價太陽能集熱器的集熱性能，其可表示為：

式中： q 為太陽能集熱器的單位時間集熱量，J； τ 為時間，s； W 為太陽能集熱器接收的總太陽輻照量，J； 為導熱油的比熱容， ：ρ 為導熱油的密度， ； V 為導熱油的體積流量， ： 分別為導熱油的出口溫度和入口溫度， . A 為太陽能集熱器采光面積， ： I 為太陽輻照度， 。

其中，太陽能集熱器的單位時間集熱量可表示為：

3實驗結果與分析

3.1不同天氣類別的影響

本文分別選取霧天（僅早晨和傍晚有霧）、風天、晴天和雨天這4種天氣類別，并對這4種天氣類別下的法向直接輻照度、風速、干球溫度及濕球溫度進行測試，測試結果如圖3所示。

由圖3可知：

1）對于法向直接輻照度峰值，晴天時的最大，可達 ；其次是風天，可達 霧天時，由于空氣中的顆粒物削弱了太陽輻射，法向直接輻照度峰值僅為 ；雨天時的法向直接輻照度極低，其峰值僅為 。晴天與風天時的法向直接輻照度波動較大的原因來自于云層的短暫遮擋。

2）對于風速波動，風天時的全天風速波動顯著，且波動范圍大；晴天時，在 及14：45之后風速出現波動；霧天時，在 13：45～ 15：15期間風速出現波動；雨天時 期間風速出現波動。

3）測試期間的干球溫度與濕球溫度的整體變化趨勢接近，但霧天時的干球溫度與濕球溫度相對最高，其次是晴天、風天和雨天。

對不同天氣類別下的導熱油出口溫度進行測試，測試結果如圖4所示。

由圖4可知：晴天時，導熱油的出口溫度在11：30前持續上升，但在 之間出現了短暫的下降，在 之間持續上升，并在12：45之后出現多個階梯狀的下降趨勢；風天時，導熱油的出口溫度出現了兩個上升－下降趨勢，且 期間的變化幅度相對較小，而 期間的變化幅度相對較大；霧天時，導熱油的出口溫度呈明顯的先增大后減小的趨勢。晴天、風天、霧天時最大的導熱油出口溫度分別為153、120和 ；而雨天時的導熱油出口溫度基本維持在 左右，且起伏不大。

對不同天氣類別下太陽能集熱器的瞬時集熱效率進行測試，測試結果如圖5所示。需要說明的是，由于雨天大部分時間法向直接輻照度過低，太陽能集熱器的集熱量偏小，為節省電力消耗，停止了太陽能集熱器的追蹤和工質循環工作，當法向直接輻照度稍大時再恢復工作，因此，只對部分時間段的太陽能集熱器瞬時集熱效率進行分析。

結合圖3～圖5可知：

1）晴天時，太陽能集熱器的瞬時集熱效率最大值出現在14：15，為0.73；12：30之前，瞬時集熱效率基本呈增大趨勢，之后隨著法向直接輻照度的下降，瞬時集熱效率除了1次突增外，整體呈下降趨勢。晴天時，導熱油出口溫度的變化趨勢與太陽能集熱器瞬時集熱效率的變化趨勢較為相似，均是先上升，出現小幅下降后繼續上升，在達到峰值后出現階梯狀下降的趨勢。隨著導熱油出口溫度達到峰值 ，導熱油溫度與周圍環境的溫差逐漸增大，使太陽能集熱器的熱損失增大，太陽能集熱器的瞬時集熱效率開始降低。

2）風天時，太陽能集熱器瞬時集熱效率的變化呈現先升高后降低的趨勢。風天和晴天時的法向直接輻照度差別不大，但風天時的太陽能集熱器瞬時集熱效率峰值較晴天時低了0.12，為0.61。這是因為較大的風速加強了導熱油向周圍環境散熱，使太陽能集熱器的熱損失增大。

3）相較于晴天時，霧天時的太陽能集熱器瞬時集熱效率整體偏低，這是因為空氣中顆粒物削弱了太陽輻射，從而對太陽能集熱器的瞬時集熱效率產生了影響；霧天時的最大瞬時集熱效率為0.47，出現在13：00，而最小瞬時集熱效率為0.11，出現在8：45，整體呈先增大后減小的趨勢；從霧天時的導熱油出口溫度來看，太陽能集熱器僅在 期間可滿足供暖需求。

4）雨天時，太陽能集熱器的瞬時集熱效率較低，在 0.03～0.08 之間，導熱油出口溫度也偏低，無法滿足供暖需求。

綜上可知，太陽能集熱器的瞬時集熱效率受天氣影響較大，在晴天時，太陽能集熱器的瞬時集熱效率集中在 0.4～0.7 ，可保證供暖；而雨天時太陽能集熱器的瞬時集熱效率和導熱油出口溫度極低，太陽能集熱器無法正常供暖。根據同種天氣類別下太陽能集熱器的瞬時集熱效率分析結果，太陽能集熱器的瞬時集熱效率會受到法向直接輻照度、環境溫度、風速等諸多因素的影響，其中法向直接輻照度為直接影響因素。因此，下文針對不同法向直接輻照度下的太陽能集熱器瞬時集熱效率進行分析。

3.2法向直接輻照度的影響

不同法向直接輻照度下的太陽能集熱器瞬時集熱效率變化趨勢如圖6所示。

從圖6可以看出：隨著法向直接輻照度逐漸增大，太陽能集熱器的瞬時集熱效率隨之增大，這是因為隨著法向直射輻照度的增大，導熱油吸收的熱量隨之增大，進而使瞬時集熱效率增大。但當法向直接輻照度達到 時，太陽能集熱器瞬時集熱效率的上升趨勢逐漸平緩。

3.3導熱油入口溫度的影響

不同法向直接輻照度下太陽能集熱器的瞬時集熱效率隨導熱油入口溫度的變化趨勢如圖7所示。

由圖7可知：在導熱油入口溫度一定的情況下，隨著法向直接輻照度增大，太陽能集熱器的瞬時集熱效率也隨之增大。當法向直接輻照度為500和 時，太陽能集熱器的瞬時集熱效率隨導熱油入口溫度的增大呈先增大后減小的趨勢；而當法向直接輻照度為700和800 時，太陽能集熱器的瞬時集熱效率隨導熱油入口溫度的增大一直呈增大趨勢。這是因為當導熱油入口溫度小于等于 時，隨著導熱油入口溫度的增大，導熱油的運動粘度減小，進而使雷諾數增大，加強了導熱油與太陽能集熱管壁的換熱效率，從而使太陽能集熱器的瞬時集熱效率逐漸增大。而當導熱油入口溫度大于 時，較高的導熱油溫度使太陽能集熱器的熱損失逐漸增大，當法向直接輻照度為500和 時，太陽能集熱器的瞬時集熱效率呈現降低的趨勢；而當法向直接輻照度為700和 時，雖然太陽能集熱器的熱損失增大，但較高的法向直接輻照度彌補了部分熱損失，太陽能集熱器的瞬時集熱效率繼續增大，但趨勢相對平緩。

4結論

本文依托山東省泰安市某拋物槽式太陽能集熱供暖系統搭建了實驗平臺，對不同天氣類別、法向直接輻照度、導熱油入口溫度等因素對拋物槽式太陽能集熱器集熱性能的影響進行了研究，得到以下結論：

1）太陽能集熱器的瞬時集熱效率受天氣影響顯著。晴天時，太陽能集熱器的最大瞬時集熱效率可達0.73；風天時，受風速影響，太陽能集熱器的最大瞬時集熱效率達0.61；霧天時，法向直接輻照度受到空氣中顆粒物的削弱，太陽能集熱器的最大瞬時集熱效率為0.46；而雨天時，太陽能集熱器的瞬時集熱效率處于 0.03～0.08 之間，無法滿足供暖需求。

2）在導熱油入口溫度一定的情況下，隨著法向直接輻照度增大，太陽能集熱器的瞬時集熱效率也隨之增大。

3）當法向直接輻照度為500和 時，太陽能集熱器的瞬時集熱效率隨導熱油入口溫度的增大呈先增大后減小的趨勢。而當法向直接輻照度為700和 時，由于較高的法向直接輻照度彌補了太陽能集熱器的部分熱損失，太陽能集熱器的瞬時集熱效率隨導熱油入口溫度的增大一直呈增大趨勢，但增幅較為平緩。

[參考文獻]

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EXPERIMENTALSTUDYONHEATCOLLECTION PERFORMANCEOFPARABOLICTROUGH SOLARCOLLECTORS

DaiAn，Zhao Qiang，Guo Jie （SchoolofPhysicsand Technology，UniversityofJinan，Jinan25oo22，China）

Abstract：This paper established an experimental platform based on a parabolic trough solar heating system in Taian City，Shandong Province，and studies the effects of weather conditions，direct normal irradiance （DNI）， and inlet temperature of thermal oil on the heat collection performance of the solar collector.The research results show that：1） The instantaneous thermal efficiency of the solar collector is significantly afcted by weather. On sunny days，the maximum instantaneous efciency reached 0.73. During windy conditions，influenced by wind speed，the efficiency dropped to O.61. On foggy days，due to the attenuation of DNI caused by airborme particles，the maximum efficiency was 0.46.During rainy days，the instantaneous efficiency remained between 0.03 and O.08.2） With a constant inlet temperature of thermal oil，the instantaneous thermal efciencyof the solar collector increased as the DNI increased. 3） At DNI levels of and ，the instantaneous efficiency initially increased and then decreased with rising inlet oil temperature. when the DNI levels is 700W/ （2號 and ，due to the higher DNI compensating for some of the heat loss of the solar collector， the instantaneous heat collection efficiencyof the solarcollector continues to increase with the increase of the inlet temperature ofthe thermal oil，butthe increase is relatively gentle.These findings provide theoretical support for advancing the application of parabolic trough solar collectors in heating engineering projects.

Keywords：parabolic trough solar collector； instantaneous heat collection effciency；DNI； inlet temperature；heating