槽式太陽能集熱器集熱管熱性能影響因素分析

王蒙 顧煒莉 易小芳 劉亞君

南華大學土木工程學院

近年來，由于能源短缺問題越來越嚴峻，可再生能源開發(fā)利用日益受到人們的重視[1]。太陽能是一種清潔能源用其替代常規(guī)能源已成為人們的研究目標，但太陽能是一種低品位能源需轉化為高品位能源才能被使用，常用的轉化方式是聚焦[2-3]。目前，開發(fā)利用最多的集熱器類型是槽式太陽能聚光系統(tǒng)，其聚光特性，集熱效率，換熱特性以及熱應力等問題一直是研究的熱點，但研究重點都是太陽能集熱器整體的熱損失及其影響因素，而很少針對內(nèi)部因素對影響集熱管熱性能的因素進行分析[4-10]，其實真空集熱管是槽式太陽能集熱器的核心部件實現(xiàn)能量轉化率高的關鍵。本文以LS-2 型槽式太陽能集熱器為研究對象，先對聚光特性分析以確定集熱管上的能流密度分布規(guī)律，而后從太陽輻射強度、集熱管入口流體溫度和流速、管壁粗糙度等角度分析對集熱管熱性能的影響。

1 物理及數(shù)學模型的建立

1.1 物理模型

槽式太陽能集熱器主要是由槽式反射鏡面、真空集熱管、跟蹤系統(tǒng)及其他輔助裝置組成，如圖1 為槽式太陽能集熱器主要部件的物理模型，其工作原理如圖2，跟蹤系統(tǒng)只要是保證反射鏡的開口面與入射的太陽光線互相垂直，反射器鏡面反射太陽光使其聚集到真空集熱管上，增加真空集熱管上太陽光的能流密度，高熱流密度的太陽輻射能通過導熱的方式傳給管壁后流體工質(zhì)以對流換熱的形式得到熱量并達到指定溫度。

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(tǒng)原理圖

本次研究對象為一長7.8 m 的槽式太陽能集熱器，由于玻璃管及玻璃管與內(nèi)部金屬吸熱管間的真空部分在本次模擬研究時無實際意義故將其簡化省去只對內(nèi)部金屬吸熱管進行研究，設其為內(nèi)外徑分別為0.066 m、0.07 m 的不銹鋼管，內(nèi)部流體介質(zhì)為導熱油T-55。用fluent 進行模擬分析前用GAMBIT 軟件建立模型并進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分為六面體結構化網(wǎng)格并在金屬吸熱管內(nèi)管壁附近添加邊界層。

1.2 控制方程

根據(jù)集熱管傳熱與內(nèi)部導熱油流動特性，做出如下假設：1）管內(nèi)導熱油視為不可壓縮流體。2）管內(nèi)導熱油的流動視為低速不可壓縮湍流流動，湍流模型選用標準k-ε 模型并采用壁面函數(shù)法對內(nèi)壁面進行細化處理。3）管外壁面熱邊界條件設置熱流密度值。

2 集熱管能流密度分布特性

2.1 聚光模型建立

在光路分析仿真軟件Trace pro 中建立如圖3 所示的LS-2 型槽式太陽能集熱器模擬實體，模擬時將光源設定為格柵光源，太陽輻射模型設定為半張角δ=4.7 mrad 的錐體，其入射角度為0°，忽略系統(tǒng)的跟蹤誤差。圖4 為集熱器運行中的正視圖，顯示有200 條光線。

圖3 在Tracepro 中建立的模擬實體

圖4 槽式太陽能集熱器運行正視圖

2.2 LS-2 型集熱器熱流密度分布

本次研究模擬了DNI 值為250 W/m2、500 W/m2、750 W/m2、1000 W/m2、1250 W/m2、1500 W/m2時，集熱管圓周方向熱流密度分布特性，模擬結果如圖5 所示，集熱管的正面受太陽直射，落在其上的太陽光較少，熱流密度值小大致呈余弦分布。大量太陽光落在反射鏡面后經(jīng)反射聚集到集熱管背面，其熱流密度較大且大致呈對稱性分布，中間由于反射的光線較少熱流密度值較低。隨著輻射強度的增加，集熱管表面熱流密度也隨之成比例增加，但不同的輻射強度下，集熱管表面圓周方向熱流密度的分布趨勢大致相似。另外，隨著太陽輻射強度的不斷增大，集熱管正面和背面的熱流密度差值增大，集熱管周向熱流密度分布的不均勻性增大。

圖5 不同輻射強度下集熱管表面熱流密度分布與圓周角的關系

3 集熱管熱性能的影響因素分析

由于金屬吸熱管的導熱及熱擴散性好，為簡化計算可利用Tracepro 求解的不同輻射強度下集熱管表面的熱流密度分布簡化為矩形分布，即將集熱管的正面和背面分割開，分別求其熱流密度的平均值，在吸熱管的外壁面的正面與背面分別設定熱流密度邊界條件，內(nèi)壁面為流固耦合面只需將內(nèi)壁面設置成couple，在Fluent 軟件對不同工況進行數(shù)值模擬研究。

3.1 太陽輻射強度（DNI）的影響

太陽輻射強度是集熱器運行中的重要參數(shù)。圖6，圖7 導熱油入口溫度為160°，太陽輻射強度分別為250 W/m2、500 W/m2、750 W/m2、1000W/m2、1250 W/m2、1500 W/m2時，導熱油的出口溫度和集熱效率（集熱效率為管內(nèi)流體工質(zhì)流經(jīng)集熱管吸收的能量與照射到槽式集熱器上的太陽能之比）隨DNI 的變化曲線。從圖中可以看出，在入口導熱油溫度及流速一定時，導熱油在出口處的平均溫度與太陽輻射強度成正比，即隨著太陽輻射增強，導熱油流經(jīng)集熱管時吸收的熱量逐漸增加。集熱效率也隨太陽輻射的增加而增加，但幅度逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。

圖6 出口溫度隨輻射強度的變化關系

圖7 集熱效率隨輻射強度的變化關系

3.2 集熱管流體入口溫度的影響

在槽式太陽能集熱器的實際應用中，槽式太陽能場中各個集熱管的入口流體溫度差異較大，故將入口溫度設為單一變量，在流體流速為0.25 m/s、太陽輻照強度為1000 W/m2條件下，對入口溫度分別為40 ℃、80 ℃、120 ℃、160 ℃、200 ℃、240 ℃、280 ℃時進行模擬分析。其結果如圖8：當太陽輻射強度和工質(zhì)入口流速為定值時，集熱效率與工質(zhì)的進出口溫差都隨導熱油入口溫度的升高而降低，這是因為當流換熱系數(shù)一定時，對流換熱量與溫差成正比，溫差越小對流換熱量越小，導熱油吸收的熱量就越少，集熱效率就越低。

圖8 進出口溫差和集熱效率隨導熱油入口溫度的變化曲線

3.4 集熱管流體入口速度的影響

在流體入口溫度為160 ℃，太陽輻照強度為1000 W/m2條件下，設定流體入口速分別為0.05 m/s、0.075 m/s、0.09 m/s、0.125 m/s、0.15 m/s、0.175 m/s、0.2 m/s、0.225 m/s、0.3 m/s 時進行模擬分析。如圖9 所示，在導熱油入口溫度一定時，雖然導熱油流速的增加能增大導熱油與管壁的對流換熱系數(shù)，但導熱油進出集熱管的時間變短并不能進行充分換熱，導致出口處的平均溫度逐漸減小。如圖10 所示，隨著導熱油流速的增加，流體進出口壓降呈指數(shù)增加。根據(jù)達西定理，管道壓損與流體流速平方成正比，流體流速的增加，管內(nèi)壓損也增加。另外，流速在0.05 m/s～0.3 m/s 區(qū)間內(nèi)，集熱系統(tǒng)的集熱效率隨流速增加而降低。結合三者隨入口速度的變化規(guī)律可知在實際操作中，流體流速不應太高，因為過高只會導致功耗增加并不能提高集熱器整體性能。

圖9 出口溫度與導熱油入口速度的關系圖

圖10 壓力損失和集熱效率隨導熱油入口速度的變化曲線

3.5 管壁粗糙度的影響

在集熱系統(tǒng)投入使用后，隨著使用年限的增加，管內(nèi)導熱油在過熱后的結垢量逐漸增多，管壁越來越粗糙，進而影響集熱管內(nèi)流體的流動與傳熱，因此需對這一問題進行具體研究。以管壁粗糙度為單一變量，其值分別為0、0.005、0.01、0.015、0.02、0.025、0.03時，在流體入口溫度為160 ℃，入口速度為2 m/s，太陽輻照強度為1250 W/m2條件下進行導熱油的進出口壓力差與管壁粗糙度的變化關系的研究，由圖11 可看出，在其他條件均不變的條件下，進出口壓差隨管壁粗糙度的增加而增加，這是因為隨著管壁粗糙度的增大，摩擦阻力系數(shù)增大，故壓力損失增大，即壓降增大。

圖11 管壁粗糙度對進出口壓損的影響

其實，管內(nèi)結垢使得管內(nèi)壁粗糙度增加的同時也增加了熱阻，將直接影響傳入管內(nèi)的熱量，還需對不同結垢程度對傳熱的影響進行深入研究，但由于條件有限對不同的結垢程度管壁的熱阻的測定與計算尚未完成。

4 結論

影響集熱器集熱效率的除無法控制的太陽輻射強度外，還受集熱管進口溫度，管內(nèi)流速，管壁粗糙度等內(nèi)部可控因素的影響，其影響規(guī)律為：

1）隨著輻射強度的增加，集熱管表面熱流密度也成比例增加，集熱效率在一定范圍內(nèi)有所提高，且在不同輻射強度下，集熱管表面圓周方向熱流密度的分布形式大致相似。隨著太陽輻射強度的增大，集熱管正面和背面的熱流密度差值會越來越大，正面與背面溫度差值明顯，使得熱應力集中在集熱管的背面易產(chǎn)生較大產(chǎn)生熱應變，既影響集熱系統(tǒng)的安全操作，也易使集熱管偏離設定的聚焦光線。故應盡可能減少集熱管正面和背面的熱流密度差值，可增加一些設備來增加集熱管正面的熱流密度值或緩慢轉動集熱管以降低集熱管的溫度差值。

2）集熱效率隨入口流體溫度的升高而降低，管內(nèi)流體流速的增大，集熱效率先是快速下降，后逐步趨于平緩，管壁粗糙度的增大會增大進出口壓差，其變化規(guī)律是隨管壁粗糙度的增加先快速上升，后上升緩慢。故集熱管的入口溫度應盡可能的小，進口流速不能過大，管內(nèi)壁結垢要及時清理或更換，及時監(jiān)控與管理影響集熱管熱工性能的相關參數(shù)使其達到最佳狀態(tài)可顯著提高太陽能集熱器的集熱效率。