（动力工程及工程热物理专业论文）槽式太阳能集热器热性能分析与实验.pdf

重庆大学硕上学位论文 中文摘要 摘要 太阳能作为一种新能源，理论上取之不尽，并且清洁无污染，正越来越受到 人们的关注。太阳能发电包括光伏发电和光热发电两种形式，是太阳能利用的重 要途径。目前光伏发电已经有较广泛的应用，但仍存在效率较低和成本较高等问 题。太阳能光热发电因其在大规模并网发电方面的优势而日益受到重视。太阳能 光热发电按其集热形式主要有槽式、塔式和碟式三种，其中槽式太阳能热发电技 术最为成熟，国外已有商业化应用。 槽式太阳能集热器是槽式太阳能热发电系统的主要部件，作用是将太阳能转 化为热能，因此槽式集热器性能的优劣直接影响太阳能热发电站整体效率和成本。 同时，在槽式集热器中存在辐射、导热和对流等多种传热过程，且其传热过程在 空间和时间上都具有显著的非均匀特性。因此开展槽式集热器热性能的理论与实 验研究具有重要的学术意义和应用价值。本文的工作主要包括以下三个方面： 建立了槽式太阳能集热器的传热模型，计算了不同太阳辐射强度，工质入口 温度和流量等工况下，集热器的热效率以及集热工质出口温度的变化规律，对计 算结果进行了非线性拟合，得到了集热器效率、工质出口温度的计算关系式。 考虑集热管表面热流不均匀的情况，建立了非均匀条件下的槽式集热器的传 热模型，计算得到了集热器性能随各影响因素的变化规律。结果表明，环境风速 增加和流体入口温度升高均导致集热器性能降低；随着太阳辐射强度、工质流量、 环境温度等增加，集热器性能得到提高。环境风速和温度这两个因素对集热器性 能的影响相对较小，而太阳辐射强度、流体入口温度和流量是影响集热器性能的 三个主要因素。 采用电加热模拟的方式对槽式真空集热管进行了稳态性能测试，得到了集热 管在不同管壁温度和真空条件下的热损失特性。结果表明真空集热管在4 0 0 左右 的工作温度下的热损失为9 17 5 w 。该集热管经过多次加热和降温过程，集热管各 组件连接完好，尤其是玻璃和可伐合金连接部分未出现破坏，高温选择性吸收涂 层也没有明显的性能衰减。 关键词：槽式太阳能集热器，非均匀热流，真空集热管，热性能 a b s t r a c t s o l a re n e r g ma so n eo ft h ei n e x h a u s t i b l e ，c l e a na 1 1 dr e n e w a b l e e n e r g y ，a t t r a c t sm o r e a n dm o r ea t t e n t l o n b yi n d u s t 叮a n ds c i e n c ec o 砌f 1 1 u n i t y s o l a rp o w e rg e n e r a t i o n ， 1 n c l u d l n gp h o t o v 0 1 t a i ca n ds 0 1 a rt h e r m a lp o w e rg e n e r a t i o n ，i sa ni m p o n a n tw a y o fs o l a r e n e r g yu t i l i z a t i o n p h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o nh a sb e e nw i d e l yu s e d ，a l m o u g ht h e r e a r es t j l l1 i m i t a t i o n so fe 街c i e n c ya n dc o s t s o l a rt h e m a lp o w e r g e n e r a t i o ni sp r o m i s i n g t e c h n o l o g yl nt h e 如t u r ed u et oi t sa d v a n t a g e si n1 a r g e s c a l e d i s p a t c h a b l ee l e c t r i c i t v g e n e r a t l o n a c c o r d l n gt ot h ew a y so fh e a tc 0 1 1 e c t i n g ，t h e r ea r e 廿1 r e et y p e so fs 0 1 a r t n e m l a lg e n e r a t l o n s y s t e m ，n 锄e l yp a r a b o l i ct r o u 曲，s 0 1 a rt o w e ra n dd i s h s t i r l i n g a m o n gt h e i t l ，p a r a b 0 1 j ct r o u 曲s y s t e mi saq u i t em a t u r et e c h n 0 1 0 9 y w 1 1 i c hh a sb e e n o p e r a t i o nc o m m e r c i a l l yi nu sa 1 1 ds o m e e u r o p e a nc o u n t n e s p a r a b o l i ct r o u g l lc 0 1 1 e c t o ri so n eo ft h em a i nc o m p o n e n t so f p a r a b 0 1 i ct r o u 西s o l a r t n e n t l a lp o w e rg e n e r a t i o ns y s t 锄，w h i c hi su s e dt oc o n v e ns 0 1 a re n e r g yi n t 0 h e a t t h e p e n o 衄a n c eo fp a r a b o l i ct r o u 曲c 0 1 1 e c t o ra 脯c t e dd i r e c t l yt h ee 街c i e n c ya n dc o s to f s o l a rt h e m a lp o w e r p l a n t i i ls u c ht h e 衄a lc 0 1 1 e c t o r ，h e a tc o n d u c t i o n ，c o n v e c t i o na n d r a d l a t l o n h a p p e ns l m u l t a i l e o u s l ya i l dt h eh e a tt r a l l s f i e r p r o c e s sh a ss i 龋i f i c a n t n o n 。u n i f - 0 n nc h a r a c t e r i s t i c si ns p a c ea i l dt i m e i nt n i sp 印ah e a tt r a i l s f e rm o d e l i se s t a b l i s h e db ya n a j y z i n gt h e w o r k j n gp r o c e s s o f 仃o u g l lc o l l e c t o r s t l l e nt h et h e n i l a le m c i e n c yo fm e p a r a b 0 1 i ct r o u 曲s o l a rr e c e i v e r a n dt h eo u t j e tt e m p e r a t u r eo fh e a t t r a i l s f e rn u i da r ec a l c u l a t e du n d e r t h ec o n d i t i o n so f d 1 虢r e n ts o l a rr a d i a t i o ni n t e n s i t y ，n u i dn o wr a t e s a i l di n l e tt e m p e r a n l r e s t 1 1 r o u g l l n o m i n e a u r6 m n go ft h ec a l c u l a t e dd a t a ，a ne m p i r i c a lc o r r e l a t i o no f c o l l e c t o r s ，e 伍c i e n c v a n dh e a t 一仃a n s f e rf l u i do u t l e tt e m p e r a t l l r ei so b t a i n e d c o n s l d e n n gt h en o n 。u n i f 0 h ns u r f a c eh e a tn u xo fm ep a r a b o l i c 仃o u 曲r e c e i v e r ，a n e wh e a t 觚n s f e rm o d e lo ft r o u 曲c o l l e c t o ri s e s t a b l i s h e d b a s e do nt l l a t m ev 撕a t i o n o tt h ec o l l e c t o rp e r f o 肌a n c ew i m m er e l e v a i l tp a r 锄e t e r s i sa l s oa i l a l y z e d t h er e s u l t s s n o w 廿1 a tt h ec 0 1 l e c t o re 街c i e n c yd e 矿a d e sw i t ht h ei n c r e a s eo fm ew i n d s p e e da n d h e a t _ t r 觚s f e r n u i di n l e tt e m p e r a t u r e a n dc 0 1 1 e c t o r e 伍c i e n c yi m p r o v e sw i m m ei n c r e a s e o 士s o l a rr a d i a t l o ni n t e n s i t mf l o wr a t ea n d 锄b i e n tt 锄p e r 栅e t h ew i n d s p e e da 1 1 d 锄b l e n tt e n l p e r a t u r eh a v el e s si m p a c to nm ec 0 1 1 e c t o rp e 墒n 1 1 a n c e s o l a ri m d i a t i o n h e a t - 仃a n 8 f e rn u i di n l e tt e n l p e r a t u r ea n dn o w r a t ea r et h em r e em a i nf a c t o r st h a ta f r e c t t h ec o l l e c t o rp e r f o n l l 觚c e u s t e a d ys t a t ee q u i l i b r i u mt e s t so fp a r a b 0 1 i ct r o u g hr e c e i v e ra r ep e r f o m e d i nt h ew a y o fe l e c t r i ch e a t i n gs i m u l a t i o n t h eh e a t1 0 s sc h a r a c t e r i s t i c su n d e rd i f f 旨e n t w a l l t e n l p e r a m r e sa i l dv a c u u mc o n d i t i o n sa r eo b t a i n e d e x p 耐m e n t a lr e s u l t ss h o wm a tt h e h e a t1 0 s so ft h et e s t e dr e c e i v e ri s917 5 wa tt h ew a l l t e m p e r a t u r eo fa _ b o u t4 0 0 w h i l e t h er e c e i v e ri sh e a t e da n dc 0 0 1 e dm a l l yt i m e s ，a l lt h ec o m p o n e n t so ft h er e c e i v e rw o r k w e l la n dt h e r ei sn oc r a c ki nt h es e a lb e t w e e nt h eg l a s se n v e l o p ea n d m e t a lh e a d i n g t h e t e s tr e s u l t sa l s os h o wt h a tt h eh i 曲一t e m p e r a t u r es e l e c t i v ea b s o 叩t i o nc o a t i n gh a sn o o b v i o u sp 耐b n n a i l c ed e g r a d a t i o n k e y w o r d s ： p a r a b o l i c1 、r o u g hc o l l e c t o r ，n o n u n i f o r ms u r f a c eh e a tf l u x ，p a r a b o l i c t r o u 曲r e c e i v e r t h e 肌a 1p e 面珊a 1 1 c e i i i 重庆大学硕士学垡堡奎 圭垩笪量室 _ _ _ i _ _ _ - _ _ i _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ i _ - _ _ _ _ _ _ l - _ 一一 单位 m 。 m w ( m 2 k ) | m w w l m i n 主要符号表 说明 面积 直径 对流传热系数 辐射强度 长度 努赛尔数 功率 热量 流量 瑞利数 雷诺数 温度 吸收率 体胀系数 效率 w ( m - k ) 导热系数 k m 3 密度 w ( m 2 k 4 ) 斯忒藩- 波尔兹曼常量 透过率 m 2 s运动粘度 环境 金属吸热管 反射镜 导热 对流传热 流体 玻璃 v i 单位 说明 入口 热损失 出口 涂层 辐射传热 三j s 1 1 触一 h o 。 瑚 艏彳 。 ， m p q g砌胎黼 仅 叮a p 盯 r 。晰 a 挑 咖训 f g 重庆大学硕： = 学位论文 l 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 随着经济的发展，人们对能源的需求量越来越大。但是，地球上传统的化石 能源的总量是恒定的，经过一百多年的开发使用，人们已经认识到，传统的化石 能源枯竭的那一天并不遥远。并且，随着工业的发展及人们认识水平的提高，人 们对环境越来越重视，对环保的要求也越来越高，而使用传统能源所产生的大量 污染物( 包括c 0 2 等温室气体) 的排放也不符合日益严格的环保标准。因此，人 们必须寻找可替代传统能源的新能源。 新能源是指包括太阳能、风能、海洋能、地热能、核聚变能、生物质能等利 用新技术开发的能源。其中太阳能近几十年来得到了很大的重视和发展。 太阳能，一般是指太阳光的辐射能量。太阳能具有总量大，无污染，可再生 等优点。仅就我国而言，我国太阳能丰富的地区占我国领土总面积的9 0 以上， 太阳能每年辐射到我国领土上的总量相当于1 7 0 0 0 亿吨标准煤【lj 。 太阳能利用主要有三种方式：转化为热能，包括太阳能灶、太阳能温室、 太阳能空调、海水淡化、太阳能建筑等；转化为电能，包括太阳能光伏发电和 太阳能光热发电( 将太阳能转化为热能，然后利用热力循环的方法带动发电机发 电) ；转化为化学能，包括光合作用、能源植物、太阳能制氢等。 光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种 技术。光伏发电由于光伏电池本身成本较高，并且效率低，只适用于小规模或家 庭用户发电，不适于大规模的利用。太阳能光热发电是指采用聚焦技术，将数平 方米甚至数千平方米范围上的阳光集中到一条线状或点状集热器上，将工质加热 并产生蒸汽，从而推动汽轮机工作，再由汽轮机驱动发电机产生电能的过程。光 热发电由于其发电方式与传统发电方式相同，具有生产适应性强，易于并入电网， 适于大规模生产等特点，在世界范围内得到了广泛关注。 1 2 太阳能热发电 太阳能光热发电通常有以下几种形式 2 3 ： 槽式太阳能热发电系统 槽式太阳能热发电系统【4 j 是利用槽式抛物面反射镜聚光的太阳能热发电系统 的简称。该聚光镜面从几何上看是将抛物线平移而形成的槽式抛物面，它将太阳 光聚在一条线上，在这条焦线上安装有管状集热器，以吸收聚焦后的太阳辐射能， 并常常将众多的槽式抛物面串并联成聚光集热器阵列。槽式抛物面对太阳辐射多 重庆火学硕二t 学位论文 l绪论 进行一维跟踪( 设备轴线南北放置，东西旋转跟踪) ，其几何聚光比在1 0 1 0 0 之间， 温度可达4 0 0 左右。该系统一般由聚光集热装置、蓄热装置、热机发电装置或辅 助能源装置( 如锅炉) 等组成。 塔式太阳能热发电系统 塔式太阳能热发电系统也称为集中式太阳能热发电系统【2 1 。它利用定日镜将太 阳光聚焦在中心吸热塔的吸热器上，在那里将聚焦的辐射能转变成热能并传递给 热力循环的工质，再驱动热机做功发电。塔式太阳能热发电系统通常可达到的聚 光比为3 0 0 1 5 0 0 ，运行温度可达1 0 0 0 1 5 0 0 。 碟式太阳能热发电系统 碟式太阳能热发电系统借助双轴跟踪，利用旋转抛物面反射镜，将入射的太 阳辐射进行点聚集，聚光点的温度一般为5 0 0 1 0 0 0 ，吸热器吸收这部分辐射能 并将其转换成热能，加热工质以驱动热机，从而将热能转换成电能【5 。它利用双轴 跟踪的碟式聚光器将太阳能聚集到吸热器上，将来自回热器的高压空气加热到 8 5 0 左右，然后进入热机做功。 菲涅尔式太阳能热发电系统 菲涅尔式太阳能热发电系统是通过多个平面或轻微弯曲的光学镜面所组成的 镜场，将反射的阳光反射到镜场上方固定安装的太阳能吸热器上，加热吸热器内 的流体工质，将太阳能转化为高温热能并进一步转化为电能。菲涅尔式聚焦也属 于线聚焦方式。2 0 世纪6 0 年代由g i o v a m l if r a i l c i c a 【6 】在意大利首次应用菲涅尔式 太阳能热发电理论开发了线性和双轴跟踪的菲涅尔蒸汽发电系统。 太阳能烟囱热发电系统 太阳能烟囱热发电系统又称为太阳能塔热气流发电，其基本原理是利用温室 效应、烟囱效应和涡轮旋转发电这3 项成熟的技术，组合形成一种全新的发电方 式【j 7 1 。它的结构是在地面上设置一个庞大的太阳能集热器大棚，在太阳能集热器的 中央树立一个高大的太阳能塔，集热器顶棚与塔的底部紧密封接，在塔的底部安 装涡轮机。由于太阳的照射，太阳能集热器大棚下的空气被加热，加热后的空气 形成上升气流，通过中部的太阳能塔排出，热气流驱动设置在太阳能塔底部的涡 轮机旋转带动发电机发电，大棚外的冷空气则通过四周不断地被吸入。整个集热 棚实际上是一个温室，其室内外温差可达3 5 ，在烟囱内形成的上升气流速度可 达1 5 州s 。烟囱发电包括3 个主要部分：太阳能集热器、太阳能塔和涡轮发电机组。 太阳池热发电系统 太阳池热发叫3 】是一种池内水加盐( 一般用n a c l 、c a c l 2 、m g c l 2 、n a 2 c 0 3 和 芒硝等盐类) 使对流受到抑制的太阳能集聚工程，以太阳能池底的高温盐水作为热 源，通过热交换器加热传热工质，驱动热机做功发电。太阳能池是热发电系统的 重庆大学硕：t 学位论文1 绪论 核心装置，由3 层不同浓度的盐水构成。 在以上几种太阳能热发电方式中，又可分为聚光式与非聚光式。其中，槽式， 塔式、碟式和菲涅尔式属于聚光式系统，前三种较常见，聚光形式如图1 1 。太阳 能烟囱与太阳能池发电属于非聚光式系统。 槽式线聚焦 塔式定日镜碟式点聚焦 图1 1 聚光太阳能热发电的基本形式 f i g1 1n l eb a s i cf b n no fc o n c e n 仃a t i n gs o l a rp o w e r 以上各种发电系统各有其优缺点，其中槽式系统具有便于大规模利用，技术 相对成熟，可靠性高的特点，可与传统火力发电结合，成本较低，结构相对简单， 成为第一个进入商用生产的热发电方式【8 】；塔式太阳能热发电系统优点是占地少 ( 在各种太阳能发电技术中该方式占地面积最少) ，可以与传统火力发电相结合， 可以储能，系统容量大【2 】；碟式发电系统的优点是系统效率高，可以模块化使用， 结构紧凑，安装方便，缺点是需要双轴跟踪，跟踪装置比较复杂，单机功率比较 小，斯特林热机关键技术难度大，不够成熟；菲涅尔式太阳能热发电系统的优点【6 】 是采用固定的吸热器，可以避免吸热器随跟踪系统运动带来的高温高压条件下的 管路密封与连接问题，使用的反射镜制造安装简单，并且比抛物槽式反射镜价格 低，由于安装高度低可以减少风阻，因此还可降低基础结构的要求，缺点是目前 吸热器管线较长，转化效率较低；太阳能烟囱发电太阳能热气流发电的优点是技 术简单、材料便宜、易于建造、无需额外的蓄热系统，缺点是发电效率低、占地 面积大、热气流烟囱高；太阳能池热发电系统的优点是结构简单，操作方便，缺 点是受地理条件限制较多且有可能造成水污染与严重热损失 2 1 。 目前国际上有较大规模利用的主要是槽式太阳能发电系统和塔式太阳能发电 系统，塔式系统主要处于建立示范电站阶段，美国已有商业化运行的槽式系统电 站。 西班牙、意大利、澳大利亚、埃及、印度、希腊、以色列等国都正在建设或 筹建太阳能热发电示范电站。 重庆大学硕十学位论文 l 绪论 我国的太阳能热发电技术的研发尚处于起步阶段。在过去的一段时间里，许 多研究单位都进行了太阳能热发电技术的基础理论与实验研究，并建立了相应的 热发电实验系统，积累了一定的工作经验。 但从总体上来说，我国在太阳能热发电系统性能、工艺、材料、部件及相关 技术上与国外还存在很大差距，而且国外对太阳能热发电的技术、设备等都存在 技术保密问题，很难实现技术引进。另外，国外技术本身也尚未成熟，成本较高， 产业化尚存在困难，还有待于关键技术的更大突破。另一方面，即使能够将国外 技术直接照搬过来，在我国特殊气候条件下是否适用还需研究。与塔式、碟式系 统相比，槽式系统的抗风性能最差，国外的槽式电站多处于少风或无风地区，但 是我国阳光富足地区往往多风，大风甚至沙尘暴频起，所以直接照搬国外系统及 其技术，其适用性值得怀疑p j 。 综上所述，在当前国际国内能源与环境的形式下，发展太阳能热发电是一个 不可逆转的趋势。开展与太阳能热发电相关的基础科学研究，对填补我国在太阳 能热发电领域的技术空白，跟上国外发达国家在该领域的发展步伐具有重要意义。 麓端嘲麟黟螋孵燃燃罄麟嚣群爨算麓弱 图1 2 槽式太阳能热发电站 f i gl 。2t h ep a r a b 0 1 i c 仃o u g hp o w e rp l a n t 槽式太阳能热发电系统是通过抛物面槽式聚光镜面将太阳光汇聚在焦线上， 在焦线上安装管状吸热器吸收聚焦后的太阳辐射能1 0 ，如图1 2 。集热器轴线与焦 线平行呈南北向布置，东西轴向跟踪。管内的流体被加热后，流经换热器加热水 产生蒸汽，借助于蒸汽动力循环来发电。另外还有一种在真空管中直接加热水产 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 生蒸汽( d s g ，d i r e c ts t e a mg e n e r a t i o n ) 的方式，但目前这种技术尚不成熟。 槽式太阳能热发电系统主要包括槽形抛物面聚光反射器及其跟踪系统、合成 油热载体及其循环系统、油水换热系统和汽轮机发电系统，如图1 3 【1 0 1 所示。为解 决太阳能的间歇性和不稳定性，在太阳能热电系统中也可配置蓄热装置或者辅助 锅炉，以实现电厂的持续发电或提高功率输出的平稳性。 太同 图l _ 3 太阳能热电站系统原理示意图 f i g1 3s c h e i l l a t i co fm es o l a rt h e r m a lp o w e rs y s t e m 上述的槽式太阳能热发电系统存在着三个回路：传热液体回路、蒸汽回路、 冷却水回路【1 1 1 。在槽式太阳能热发电系统中，汽轮机蒸汽循环发电系统是相对比 较常规的技术，而反射器、吸收器以及跟踪系统构成槽式太阳能热发电系统的太 阳岛部分，是槽式太阳能热发电系统的关键性技术。 槽式太阳能热发电系统中的反射器是具有高精度和高反射率的抛物面，用于 收集太阳能并将其聚焦到吸收器上。槽式系统太阳能吸收器通常采用玻璃金属太 阳能集热管。这种集热管是一种高效、耐用的太阳能吸收器，其生产制造技术主 要掌握在德国和以色列等国的个别公司手中，目前在中国还处于实验开发阶段。 槽式太阳能：热发电系统中，聚光反射器只能收集直射光线，因此必须利用跟踪装 置和相应的控制系统来调节反射器和入射光线的角度，以使系统在光照期间充分 获得太阳辐射能量【l2 1 。 太阳篚热发电除了单独建设以外，还可以与传统的热发电技术相结合，可以 降低建设太阳能热发电站的建设成本，是太阳能利用的一个方向。1 9 9 7 年国际能 源署i e a 和s 0 1 a 印a c e s 将太阳能和化石能源混合发电( s o l a u r h y b r i ds y s t e m ) 列为 二十一世纪近期和中期太阳能热利用的发展目标 1 3 。相关研究 1 4 】表明，在太阳能 重庆大学硕：仁学位论文1 绪论 槽式集热场替代燃煤机组加热器抽汽的混合发电系统进行优化的基础上，对混合 发电系统进行技术经济分析，结果表明混合热发电系统中太阳能发电部分的l c o e ( l e v e l i z e dc o s to f e l e c t r i c i t y ) 大大低于纯太阳能热发电系统。 1 3 国内外研究现状 由于目前槽式太阳能热发电的效率低，发电成本高，国内外对槽式太阳能热 发电系统及包括集热管在内的集热器进行了大量的研究。 针对太阳能集热器电站，主要工作是采用模拟的方式，与运行的电站数据进 行比较，从而对电站进行优化和设计提供依据。 s d o d e h ，m b e l l i l i a 等【1 5 为研究d s g 型集热器在澳大利亚气候条件下的适 应性建立了一个包含辅助燃气锅炉的s e g s 电站的模型，结果表明该电站锅炉在 给水温度接近饱和温度，出口为干饱和蒸汽时电站系统的效率最高，同时表明当 辐照强度低于2 2 m j m 2 h 时，电站无法高效率的运行。 m m r o l i m ，n f r a i d e n r a i c h 等 1 6 】考虑与温度有关的集热器非线性热损失建立 了槽式太阳能热发电站的模型，将结果与s e g sv i 的运行数据进行比较，比较了 真空条件下集热管与失去真空的集热管两种情况。研究还表明3 0 m w 的电站效率 在蒸发温度在3 2 0 左右，与实验结果比较表明吻合良好，使用该模型可以为太阳 能电站的模拟和设计提供有效帮助。 m j m o n t e s ，a a b a7 n a d e s 等 1 7 】针对有储热和辅助燃气锅炉的5 0 m wd s g 电 站进行了详细的系统分析，分析了不同天气情况下的运行策略，然后对不同燃气 比例下的系统进行了经济性分析，最后得出太阳能场比率对d s g 电站的日常运行， 性能和经济性都有较大的影响。还分析了没有储热系统的5 0 m ws e g s ( s o l a r e l e c t r i cg e n e r a t i n gs y s t e m s ) 电站【1 8 】，对全负荷和部分负荷运行条件进行了经济性分 析，最后得到太阳能场比率的最优值是1 1 6 。 j f f e l d h o f r ，d b e i l i t e z 等【1 9 】分析了s e g s 和d s g 两种系统模型，然后对两 种系统不同容量，不同蒸汽压强，不同蒸汽温度条件进行了经济性分析，结果证 明电站位置对经济性有较大影响。 美国从1 9 8 5 年开始，在加州沙漠地区相继建成了9 座太阳能槽式热发电站， 总容量达3 5 4 m w ，年发电量近1 1 g w h ，电站系统效率为1 1 5 1 3 6 【2 0 】。2 0 0 7 年6 月，美国6 4 m w 的槽式热发电系统s o l a r0 n e 在在华达州并网发电。另外，美 国还计划建设1 2 座新的聚光型太阳能热发电站，到2 0 1 2 年，约有3 1 0 0 m w 装机 容量并网发电。 2 0 1 0 年1 2 月，大唐集团在甘肃矿区1 0 m w 太阳能槽式热发电试验示范项目 开工，该项目总投资3 亿元，一期计划中的1 5 m w 引进国外技术和关键设备，消 6 重庆火学硕士学位论文 l绪论 化吸收相关技术后，由我国技术建设其余项目 2 l 】；我国还将在内蒙古鄂尔多斯建 立一座5 0 m w 的槽式太阳能热发电站，该项目总投资1 6 亿元，2 0 1 1 年4 月，该 项目由大唐新能源股份有限公司以o 9 3 9 9 元l ( w h 的最低价中标【2 2 j ；2 0 1 1 年6 月 1 3 日，国电青松吐鲁番能源有限公司1 8 0 千瓦槽式太阳能热发电中试装置成功实 现并网试运【2 引。 在“十五”和“十一五”期间，中国科学院电工研究所、中国科学院长春光机所、 中国科学院工程热物理所、中航通用、皇明太阳能集团、力诺瑞特、河海大学、 东南大学等在太阳能热发电的多方面研究，在反射器的设计制造、镜场的设计和 系统控制，关键材料的制备、熔盐的热交换和储能系统，取得了一批科研成果和 实用化技术。逐步由单元技术向系统集成发展，形成由点成面的格局。发展抗风 载高精度定日镜技术、高温塔式吸热器技术、高温储热技术、电站控制技术、塔 式发电系统设计和集成技术、槽式真空管制造工艺和槽式聚光集热器集成技术。 槽式太阳能聚光集热器一般由抛物槽反射器、同轴太阳光吸热器、传热流体 或工质输配管路、太阳位置传感器以及电子跟踪装置组成。槽式聚光集热器的集 热效率主要由以上各个部件性能或环节所决定，真空集热管性能是影响性能的重 要部分，国内外已对包括真空集热管在内的聚光集热器进行了大量的实验和理论 分析研究。 实验研究方面，主要工作有： d u d e l y 【2 4 】采用l s 2 型聚光反射器对不同高温减反射涂层的集热管进行了实验 研究，测定了不同集热管的集热器的效率并拟合出了相应的效率公式。 m e c k 和e z a r z 【2 m7 j 建立了d s g 形式的太阳能产生蒸汽实验装置，运行了 3 0 0 0 小时，经过比较，在3 0 b a r 和1 0 0 b a r 压力下实验后，证明没有必要倾斜布置 集热器。 李明，王六玲，夏朝凤【2 8 j 在槽式太阳能聚光反射器上以水为工质对两种真空 集热器和平板集热器测试了系统热效率和温度，结果表明系统具有较高的热转换 效率。并对真空管以氮气为工质进行了实验，结果表明对气体的加热效率较低。 还建立了槽式聚光集热装置的数学模型 2 9 1 ，并与实验结果相比较，表明数学模型 与实验结果吻合较好，采用该模型分析了不同太阳辐射强度及聚光面积变化情况 下的管内流体特性。 王亚龙、刘启斌等 3 0 】采用真空集热管在槽式太阳能平台上进行了实验研究， 实验结果表明循环工质温度和环境温度之差为1 8 0 时，热损失为2 2 0 w m ，传热 工质流量增加之后，吸热管圆周方向最大温差减小。 在集热器模拟和理论研究方面，国内外的研究人员做了以下工作： r f o 喇s t a l l 【3 l 】建立了集热器热损失的模型，并与相应的实验结果进行了比较， 重庆大学硕：仁学位论文l 绪论 结果表明二者吻合良好，然后采用该模型进行了设计和参数分析。 b s 锄e r e h 与a 曲o u b i 3 2 对置于风场中3 种典型迎风夹角下的槽式集热器 采用标准k - 方程模型进行了二维数值模拟，模拟忽略了吸热器对风场的影响。 n n a e e n i 与m y a 曲o u b i 在此基础上，考虑了吸热管，并在多个迎风夹角与不同 风速下采用r n gk - 湍流模型进行了二维数值模拟；在考察了流场与压力场分布 之后讨论了大型槽式集热器反射器结构的抗风性能以及吸热管表面的对流换热损 失 33 1 。结果表明，槽式太阳能真空集热管玻璃管外对流换热的影响因素有：风向 与集热器开口线之间夹角；风速大小( 自然对流、强制对流与混合对流) ；集热器结 构( 开口宽度、焦点焦距及吸热器直径) ；两半反射器之间的间距以及与距离地面 之间的间距位置等因素。 s d o d e n 3 4 】建立了以壁面温度为基准的模型，分析了各种不同因素的影响， 还得到了d s g 类型集热器的效率公式，然后用模型分析了不同辐照强度和集热管 尺寸的影响，还考虑了相变区的影响。 o g a r c i a v a l l a d a r e s 和n v e l 缸q u e z 3 5 】对单程和双程槽式集热器的热性能和流 体性能进行了数值模拟，结果表明双程集热器可以强化换热效果。 j m 城o z ，a a b 缸a d e s 【3 6 】考虑到集热管表面非均匀热流造成的周向温度差，设 计了一种管内螺旋翅片降低这种影响。数值分析结果表明增加管内螺旋翅片降低 了集热管周向温度差和热损失，集热器效率提高，但是会造成管内流体工质压力 降增加，因此增加管内螺旋翅片时要综合考虑。k r a v ik u m 瓯k s r e d d y l 3 7 j 采用 数值模拟的方法研究了不同结构参数的多孔碟的换热性能，最后得到了最优性能 下的多空碟参数，最后结果表明压降在4 5 7 p a 时努赛尔数增大了6 4 3 。 高志超，隋军掣3 8 】针对3 0 m 2 槽式太阳集热实验装置，建立了太阳能量转换与 传递模型，分析了太阳辐射强度、工质流量、环境风速等对集热效率的影响。还 针对6 0 0 m ：抛物槽式试验台 3 9 1 ，利用图像分析方法分析了系统的能量转化过程， 结果表明系统在高温段效率下降程度加剧，入射角从0 0 到4 0 。时，集热效率下降约 3 0 。 国内的西安交通大学的动力工程多相流国家重点实验室程泽东等【4 0 在s h i r a z 2 5 0k w 槽式太阳能热发电系统集热器结构基础上，采用最佳口径比，设计了几种 结构参数不同且具有典型意义的集热器；并对所设计不同集热器结构及位置因素 影响下的吸热管外混合对流换热进行了数值模拟。模拟结果表明：吸热管外混合 对流平均换热热损失随集热器距地距离增大而增大，但增幅不断变小；随集热器 两半反射器间间距增大而减小。而不同结构参数下混合对流换热热损失，主要受 到风在不同运行方位下由于集热器阻滞所形成的风流压力场及速度场的影响，且 随结构参数成一定趋势变化。 重庆大学硕七学位论文l 绪论 清华大学的梁征、由长福 4 1 采用数值模拟方法研究了太阳能槽式集热器的动 态传热特性，结果表明集热管出口温度变化由于热惯性滞后于辐射强度变化，短 期的辐射影响对出口温度变化影响较小。但对于全天辐射强度变化，辐射强度对 集热器流体工质出口温度影响较大，为了维持系统正常运行，必须在系统中加入 蓄热或辅助燃料系统。 蒋常建等 4 2 ，4 3 】曾对水平及倾斜同心套管环形空间内的自然对流换热过程进了 数值模拟研究，获得了半径比、轴向长度、倾角等对换热特性的影响。王旭等【4 4 j 人采用有限元的方法对半圆域上的大r a 自然对流过程进行了数值研究。k a s s e 衄【4 5 j 对槽式太阳能真空集热管内管外环形空间的自然对流过程进行了数值研究，分析 了套管的偏心率及方位角对环形空间内自然对流热损失的影响。 西安交通大学的动力工程多相流国家重点实验室陶于兵，何雅玲【4 6 】则对槽式 太阳能真空集热管内的耦合换热过程建立了统一求解模型，推导了通用无量纲控 制方程，并进行了耦合求解。结果表明：随r a 增加，管内自然对流形成的涡逐渐 向右侧管壁方向移动，等温线的涡逐渐向下部移动，环形空间内自然对流形成的 涡逐渐向顶部移动，等温线逐渐向下偏转；随管径比增加，管内的混合对流换热 系数增加，管外环形空间的换热系数减小；内管内外表面的局部换热系数均随着 角度的增加而增加；在环形空间及圆管内部的相关截面内，温度沿半径方向出现 明显偏转。 北京工业大学的熊亚选，吴玉庭等【47 】建立了槽式太阳能聚光集热系统的二维 经验模型，应用试验数据验证了模型的可靠性，利用最新一代槽式太阳能真空集 热管，结合l s 2 聚光反射器，对其二者组成太阳能集热系统的光热性能进行了详 细的数值研究，研究了传热流体质量，环境风速、传热流体与环境温差及环形空 间压力等因素对聚光集热器光热性能的影响。 韩崇巍，季杰等【4 8 】建立了槽式太阳能真空集热器的一维、非稳态模型，并与 太阳能吸收式制冷系统对比，二者吻合良好，表明采用抛物槽式集热器的太阳能 吸收式制冷系统具有最佳的系统性能。 另外，z d c h e n g ，yl h e 等 4 9 采用蒙特卡罗光线跟踪法( m o n t ec a r l o r a y t r a c em e m o d ，即m c i 盯) 解决了槽式太阳能集热管内管外壁上的太阳能能量 分布问题。它证明了太阳能能量分布的非均匀性非常大。使用m c r t 方法结合 f l u e n t 软件计算和分析三维数值模拟耦合集热管的传热特性，该模拟的传热流 体采用s y l t h e m8 0 0 导热油，物理模型采用d u d l e y 等人实验所使用的l s 2 抛物槽 式太阳能集热器，集热管内管和玻璃套管的热辐射与导热油的温度关联性也被考 虑在内。与三种典型测试条件下的测试结果进行比较，表明平均差异在2 以内。 另外，对集热管的耦合传热机制也进行了进一步的研究。 重庆人学硕士学位论文 1 绪论 东南大学王军，龚广杰等 5 0 从理论上分析了集热管不同气压下对传热机理的 影响，然后采用高真空排气台和真空计对空气、氮气不同压力，以及同压力下不 同气体进行了测试。经过与理论分析比较表明两者吻合较好，残存气体会在传热 机理和材料特性两方面造成集热管热损失的明显增加。 西安交通大学徐荣吉，何雅玲等 5 1 对新生产的真空集热管进行了实验测试， 得到了不同温度下的集热管热损失，然后根据各传热方式所占漏热量比例建立了 回归模型，应用该模型与实验测试结果对比表明实验值与回归值吻合较好。 1 4 本文的主要工作及意义 槽式聚光集热器是太阳能槽式发电系统中的关键部件，它的性能好坏对整个 系统的效率高低有很大的影响。槽式聚光集热器工作时，集热器的反射镜收集太 阳光并将太阳光聚焦反射到集热管表面，集热管将入射的太阳光转化为热量传递 给管内流动的传热流体，同时集热管在辐射、对流和导热过程的共同作用下会将 部分能量散失到环境中去，这就是集热管的热损失。热损失是真空集热管性能评 价的重要指标之一。 槽式聚光集热器的传热过程具有以下4 个特点：能量分布时间和空问的高度 不均匀性；较高的工作温度；极高的热流密度；辐射一传导对流相互耦合的能量传 递过程。所以，需要开展集热器及传热管路的复杂物理传递规律研究，建立描述 槽式真空集热管能量传递过程的数学物理模型；对不同传热介质( 导热油、水、 熔盐等) 在高温高热流密度条件下的复杂耦合传热过程进行实验研究和分析；分 析太阳辐射热流密度及其分布、集热管表面的辐射及反射性能、传热介质辐射和 热物性等因素对集热管集热性能的影响；探索集热管内能量传递的机理和规律， 探索减小集热管热损失、强化换热过程的方法和途径。 本文的主要工作有： 对槽式集热器的工作过程进行理论分析，建立其传热计算模型。然后采用 该模型计算在不同太阳辐射强度，工质入口温度和流量等工况下，对集热器的效 率与流体工质出口温度进行计算，并对计算结果进行非线性拟合，得到集热器效 率与工质出口温度的多变量拟合关系式。 由于采用聚光，集热管表面的热流密度在实际工作时是不均匀的，即面向 反射器一侧热流密度较大，另一侧热流密度较小。这一特点使集热管周向具有较 大温差，集热管管壁存在较大热应力，影响集热管的使用寿命。基于这种考虑建 立集热管表面非均匀热流条件下的集热器热性能分析模型，对真空集热管的热性 能进行计算分析。 建立槽式太阳能真空集热管的热性能模拟实验装置，以电加热模拟集热管 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 的工作状态，通过加热升温使得吸热管的温度逐渐上升到工作温度( 最高达到 4 0 0 ) ，用热电偶测量集热管表面温度，红外热像仪拍摄集热管温度分布，分析 得到集热管热损失等参数，对高温真空集热管的热性+ 能给出综合的评价。因为实 验要多次重复进行，且每天总的加热时间在1 0 小时左右，相当于对真空集热管进 行冷热循环实验，在实验完成后，检查集热管结构及集热管环形空间内真空变化 情况，以判定真空集热管的工作可靠性。 本文工作的意义是： 对槽式聚光集热器的工作原理进行分析，建立符合实际情况的聚光集热器传 热模型，分析影响集热器性能的主要因素，从而为今后研究提高集热器性能打下 理论基础。同时，集热管又是集热器的一个重要部件，准确测量集热管的热损失 及研究热损失产生的机理、影响因素，对于评估集热管性能优劣乃至对改进集热 管结构，减小热损失并提高其性能具有重要的学术意义。研究太阳能槽式集热器 的传热特性对开发高效、可靠、低成本的新型真空集热管、集热器乃至为以后实 际应用太阳能热