槽式太陽能集熱器聚光面能流分布及傳熱特性

劉亞君 顧煒莉 王蒙 易小芳

南華大學土木工程學院

0 引言

近年來，受有限的化石能源以及全球氣候變化等的影響，可再生能源發展利用日益受到國際社會的重視[1]。因此加速開發利用以太陽能為主體的新型環保能源，進而減少高品位能源的消耗，已成為人們的共識。但是太陽能作為一種低品位能源很難被直接利用并產生經濟效益，將其轉化為高品位能源，不僅能提高太陽能的綜合利用率，也使其應用范圍更加廣泛。為了得到高品位的熱能，實現能源利用的經濟性,必須對太陽能進行聚集[2-4]。槽式聚光系統是目前國內外開發利用最多的一種集熱器類型，主要是因為其具有安裝方便，結構簡單，安全且可靠性高等優點[5-7]。

槽式太陽集熱器的聚光特性，集熱效率，換熱特性以及熱應力等方面的問題一直是該領域的熱點問題，引起了國內外相關學者的廣泛關注。聚光特性方面：肖杰，何雅玲等人[8]運用蒙特卡羅光線追蹤法（MCRT）模擬了槽式系統聚光特性，得到集熱管表面的能流分布曲線，并將其分為陰影效應區，熱通量增大區，熱通量減小區和直接輻射區四部分，而且模擬結果與Jeter[9]的計算結果吻合較好。許成木，李明[10]等提出了計算槽式太陽能聚光器焦面能流密度分布的一種新方法，根據拋物槽式聚光器（PTC）的幾何光學特性，利用Origin 軟件中的頻數統計工具對平面焦線的能流密度分布進行了計算，并用CCD 工業相機進行了實測實驗，證明該方法適用于任意面型的槽式集熱系統和線性接收器。基于太陽能聚光集熱系統的幾何對稱特性，顏健等人[11]提出一種運動累加方法來計算吸熱器的能流密度分布。推導了吸熱器表面能流分布的運動累加數學模型，避免大量方程組的計算，減少了工作量。并與Jeter、何雅玲等的方法對比，驗證了該方法的正確性。換熱特性方面:目前對槽式太陽能集熱器的換熱特性的研究主要集中在研究其整體熱損失方面，文獻[12]考察了太陽輻照強度、環境風速、吸熱管管徑等結構參數和運行參數對集熱性能的影響規律。文獻[13]對槽式太陽能集熱器進行了熱性能的測試與試驗，并分析了其熱損失。文獻[14]對槽式太陽能集熱器真空夾層內的流動與換熱進行了數值模擬，研究了在壁面溫差一定條件下，環形空間壓力與熱損失的關系。上述研究主要側重在太陽能集熱器的整體熱損失及其影響因素方面，而對集熱管的傳熱特性及溫度分布的分析研究較少涉及。

本文分析了LS-2 型槽式太陽能集熱器的聚光特性并進一步模擬得到該集熱管的聚光特性和管內溫度分布特性，揭示了槽式太陽能集熱器的聚光特性和集熱管管壁的傳熱特性以及管內導熱油的對流換熱特性。

1 槽式太陽能集熱器物理模型和數值方法

1.1 物理模型

如圖1 所示為槽式太陽能集熱器的物理模型，主要由槽式反射鏡面，真空集熱管，跟蹤系統以及其他輔助裝置組成。集熱器通過跟蹤系統使反射鏡的開口面與入射太陽輻射盡可能相互垂直，槽式反射鏡面把照射到反射器鏡面的陽光聚集到真空集熱管上，以提高太陽光的能流密度，集熱管將聚集而成的高熱流密度的輻射能傳遞給管內的流體工質，將管內流動介質加熱到指定溫度。圖2 為槽式太陽能集熱器系統的原理圖。

圖1 槽式太陽能集熱器的物理模型

圖2 槽式太陽能集熱器系統原理圖

1.2 數值方法

基于以上介紹的槽式太陽能集熱器的物理模型和數學模型，本文利用光路分析仿真軟件Trace pro 對本模擬采用的LS-2 型槽式太陽集熱器進行了光學模擬，得到吸熱管表面的熱流密度分布情況。利用CFD軟件考察整根吸熱管的周向溫度和軸向溫度的分布以及換熱特性。計算的結果則采用后處理軟件tecplot完成。

網格劃分：利用Gambit 軟件對吸熱管模型的固體域和流體域分別進行網格劃分，網格為六面體結構化網格，流-固耦合面進行邊界層劃分。根據初始條件，流體入口設置為速度入口，流體出口設置為自由出流。圖3 為劃分好的網格模型。

圖3 網格劃分

2 槽式太陽能集熱器聚光特性分析

利用光路分析仿真軟件Trace pro 模擬了DNI 值為1000 W/m2時，LS-2 型槽式太陽集熱器吸熱管圓周方向熱流密度分布特性如圖4 所示。集熱管正面受太陽直射，熱流密度小，且分布呈余弦分布。經大面積反射鏡反射落在吸熱管背面的光線熱流密度大，分布為具有對稱性的分段函數。

圖4 LS-2 型槽式太陽集熱器吸熱管圓周方向熱流密度分布特性

將DNI 為1000 W/m2時，Tracepro 求解的吸熱管表面的熱流密度分布簡化為矩形分布，如圖5 所示，將總的輻照熱量折算成體積熱源，作為數值模擬時的熱邊界條件賦予管壁。折算得到太陽直接輻射正面的熱流密度q1=682 W/m2，背面熱流密度q2=42000 W/m2。

圖5 吸熱管表面熱流密度的矩形分布

3 槽式太陽能集熱器傳熱特性分析

3.1 集熱管流體溫度場分析

設置導熱油T-55 入口速度v=0.05 m/s，入口溫度T0=160 ℃，管壁上半部分熱流密度q1=682 W/m2，下半部分熱流密度q2=42000 W/m2，考察整根吸熱管的周向溫度和軸向溫度的分布以及換熱特性。

圖6 給出了非均勻熱流邊界條件下集熱管管壁溫度分布云圖。從圖7、8 中可以看出在Z=0 截面上溫度分布十分不均勻，管壁下半部分的流體溫度遠高于上半部分，而且Y 值越小，出口溫度越高，Y 值越大，出口溫度越低，Y=0.01 m 與Y=0.06 m 軸線上的最大溫差高達100 ℃。這是由于管壁下半部分平均熱流密度大，傳熱效率遠高于上半部分所致。

圖6 管壁溫度分布

圖7 Z=0 截面溫度（K）分布云圖

圖8 Z=0 截面溫度變化曲線

3.2 集熱管傳熱分析

圖9 給出了入口速度為0.1 m/s 時，兩種不同工質的進出口溫差隨進口溫度的變化關系。由圖可知，進出口溫差隨進口溫度的升高而減小。圖10 給出了入口溫度為160 ℃時，T-55 的出口溫度隨入口速度的變化關系。由圖可知，出口溫度隨入口速度的增加而降低。

圖9 進出口溫差隨工質溫度的變化關系

圖10 出口溫度隨工質入口速度的變化關系

為研究導熱油流速對吸熱管表面溫度的影響，設置導熱油入口溫度t=160 ℃，當導熱油入口速度由0.05 m/s 增加到0.1 m/s 時，從圖11 中可以看出，集熱管表面溫度分布類似于能流分布，集熱管周向最大溫差由234.7 ℃降低到141.8 ℃，可見，速度對集熱管表面溫度分布影響較大。

圖11 吸熱管圓周方向溫度分布

4 結論

本文通過數值模擬的方法研究了周向非均勻熱流邊界條件下，集熱管的溫度分布規律與換熱特性，得到如下結論：

1）利用Trace pro 模擬不同輻射強度條件下，LS-2型槽式太陽集熱器吸熱管表面的能流密度分布，結果表明，集熱管正面的熱流密度隨DNI 值的增大呈線性增長，背面的熱流密度隨DNI 值的增大呈指數增長。

2）將DNI=1000 W/m2時的熱流密度分布簡化為矩形分布，并以此為邊界條件研究傳熱工質為導熱油時，該集熱器管壁和管內流體的溫度分布特性。結果表明，管壁和管內流體溫度分布十分不均勻。

3）LS-2 型槽式太陽集熱器吸熱管表面圓周方向能流分布相對集中，工質流速對管壁溫度分布影響較大，當太陽直射輻照為1000 W/m2，導熱油入口溫度為160 ℃，流速為0.05 m/s 時，吸熱管圓周方向最大溫差為235 ℃左右，當流速增加到0.05 m/s 時，最大溫差減小到142 ℃左右。