天氣對槽式太陽能集熱系統熱性能的影響

王 迪，王 華

(河南理工大學機械與動力工程學院，焦作 454000)

0 引言

隨著世界經濟的增長，傳統能源的逐漸短缺，新能源的發展日益受到關注[1]，太陽能資源在不同領域均有廣泛應用[2-4]。其中，槽式太陽能集熱系統作為廣泛應用的中溫集熱裝置[5-6]，其熱性能受工質入口溫度、工質流量、太陽輻射[7]、環境溫度[8]、集熱管管周方向熱流密度[9]等一系列因素的影響。

為提高槽式太陽能集熱系統的熱性能，很多研究者從不同角度研究了影響槽式太陽能集熱系統集熱效率的因素。宋子旭等[10]提出一種適用于拋物槽集熱器的新型太陽能腔式吸熱器，研究了該新型腔式吸熱器的三維傳熱模型，研究結果顯示：該吸熱器的集熱效率隨著日法向太陽直接輻照度、環境溫度的升高而增加；吸熱器入口傳熱流體溫度越高，環境參數對吸熱器集熱效率的影響越大。王蒙等[11]研究了蒙特卡羅光線追蹤法模擬不同輻射強度時集熱管的上能流密度分布，研究結果表明：入口流體溫度和流速、管壁粗糙度增大均會對集熱管集熱性能造成不利影響。高鑫磊等[12]針對一種槽式太陽能新型腔式吸熱器建立一維非穩態傳熱模型，并采用Matlab 軟件對該吸熱器在13 個典型地區進行全年集熱性能分析，分析結果顯示：在太陽能資源豐富地區，該吸熱器的年集熱量可達其在太陽能資源缺乏地區的5～6 倍；該研究結果對不同太陽能資源地區的槽式太陽能集熱系統研究具有指導意義。姚遠等[13]設計制作了重量更輕、鏡面曲率精度更高的商用槽式太陽能集熱器，實驗結果顯示：在太陽輻射強度為540～660 W/m2時，該裝置可將循環水加熱至170 ℃以上，集熱效率最高可達52%，該研究為槽式太陽能集熱器優化設計提供了參考。張任麗等[14]基于TracePro 光學模擬軟件設計了一種槽式太陽能空氣集熱器，分析了不同因素對其集熱性能的影響，實驗結果表明：該空氣集熱器存在最佳空氣流速(4.4 m/s)，該研究可為槽式太陽能空氣集熱器在日光溫室中的應用提供參考。程有良等[15]對槽式太陽能集熱器建立熱模型，并從熱力學角度對其進行分析，分析結果表明：槽式太陽能集熱器中吸收管的吸熱過程是主要的?損失環節，為集熱器性能進一步改進提供了依據。

槽式太陽能集熱系統的傳熱工質多為水和空氣，以空氣為傳熱工質的太陽能集熱系統的集熱溫度較低，而以水為傳熱工質的太陽能集熱系統的集熱管在冬季容易出現結冰等問題。因此，本文基于河南省焦作地區的天氣特點，以采用導熱油為傳熱工質的15.3 m2槽式太陽能集熱系統為例，針對天氣狀況、集熱管入口流體溫度、法向太陽直接輻照度等因素對該集熱系統集熱效率的影響規律開展實驗測定和分析。

1 實驗裝置及實驗條件

1.1 實驗裝置

本文以采光面積為15.3 m2的槽式太陽能集熱系統為例，其主要包括控制系統、槽式太陽能集熱器、輔助加熱系統、熱利用系統、儲油罐、熱電偶、循環泵、油氣分離裝置、傳動及跟蹤系統，其中槽式太陽能集熱器包括反射鏡和真空集熱管，循環泵用于導熱油的循環。該系統的控制系統配置高溫保護、風速保護等功能。該集熱系統的結構示意圖和實物圖如圖1 所示。

本裝置中的槽式太陽能集熱器由8 片反射鏡組成，反射鏡為拋物面形；真空集熱管由金屬內管和玻璃外管組成[18]，玻璃外管的外徑為90 mm，金屬內管的外徑為40 mm，金屬內管的外表面涂有選擇性吸收膜層[19]，該膜層具有較高的吸收率和較低的發射率[20-21]。反射鏡的開口寬度為2.55 m、焦距為0.85 m，長度為6 m，總集熱面積為15.3 m2。本槽式太陽能集熱器的主要參數如表1 所示。

表1 本槽式太陽能集熱器的主要參數Table 1 Main parameters of trough solar collector in this paper

本槽式太陽能集熱器沿焦線東西向水平布置，采用南北跟蹤的方式。依托傳動及跟蹤系統，槽式太陽能集熱器實現實時跟蹤太陽，將太陽輻射聚焦到集熱管上，從而加熱導熱油[16-17]。本槽式太陽能集熱器的傳熱工質采用WRY-320 型導熱油，導熱油不同溫度時其各項性能參數變化曲線如圖2 所示。

圖2 WRY-320 型導熱油不同溫度時的性能參數變化曲線Fig.2 Performance parameter variation curves of WRY-320 heat transfer oil at different temperatures

圖2 中的導熱油密度y1和比熱容y2的擬合公式分別如式(1)和式(2)所示。

式中：T為導熱油溫度，℃。

由于集熱效率、?效率此類指標對應的值是綜合較長時間測試結果的平均值，因此，短時間內的導熱油流量變化對集熱系統性能測試結果的影響很小，故認為循環泵中導熱油的流量穩定在4.5 m3/h。

此外，本槽式太陽能集熱系統還配有獨立的型號為YG-QXZ-250 的小型自動氣象站，用于實時記錄實驗地點的法向太陽直接輻照度、太陽輻照量、環境溫度和濕度情況。該小型自動氣象站各參數的測量精度如表2 所示。

表2 自動氣象站各參數的測量精度Table 2 Measurement accuracy of various parameters of automatic weather station

1.2 實驗條件

導熱油的流量設為4.5 m3/h；反射鏡每日清潔，以確保每日反射率相同；控制晴天時槽式太陽能集熱器入口流體(即導熱油)溫度為28 ℃，由于不同天氣所能維持的導熱油最高溫度不同，因此在陰天、霧霾、多云天氣時不控制集熱器入口流體溫度。

2 槽式太陽能集熱系統的熱性能計算

槽式太陽能集熱系統的熱性能可以用集熱效率ηw和?效率ηex來表征。

集熱效率的計算式可表示為：

式中：EQ為導熱油熱量增量，kJ；Es為太陽輻射提供的總能量，kJ；t為時間，s；Cp為導熱油的比熱容，kJ/(kg·℃)；m為導熱油的總質量，kg；ΔT為集熱器出入口導熱油的溫差，℃；A為集熱器的集熱面積，m2；I為法向太陽直接輻照度，W/m2。

?效率ηex的計算式[22]可表示為：

式中：Ex,h為導熱油的焓?，kJ；Ex,s為太陽輻射?，kJ；Ta為環境溫度，K；T1為集熱器入口導熱油溫度，K；T2為集熱器出口導熱油溫度，K。

太陽輻射?的計算式[23]可表示為：

式中：Ts為太陽表面溫度，K。

3 影響因素分析

氣象行業相關標準中將云量小于10%的天氣稱為晴天，云量為30%～70%的天氣稱為多云，云量大于70%的天氣稱為陰天。以天氣預報結果為依據，選取焦作地區2021 年11 月18—21日的4 個典型天氣(分別為晴天、陰天、霧霾、多云)，并選取同為晴天且環境溫度相同的11 月13 日作為11 月18 日的對照組。下文分別針對天氣、集熱器入口流體溫度、法向太陽直接輻照度對槽式太陽能集熱系統集熱效率的影響，以及法向太陽直接輻照度、集熱器入口流體溫度對槽式太陽能集熱系統?效率的影響進行分析。

3.1 天氣對槽式太陽能集熱系統集熱效率的影響

為研究天氣對槽式太陽能集熱系統集熱效率的影響，需首先研究天氣對法向太陽直接輻照度、太陽輻照量、集熱器出口流體(即導熱油)溫度的影響。

不同天氣下的法向太陽直接輻照度和太陽輻照量變化情況如圖3 所示。

圖3 不同天氣下的法向太陽直接輻照度和太陽輻照量變化情況Fig.3 Changes in normal solar direct irradiance and solar irradiation under different weather conditions

由圖3 中可知：13 日和18 日均為晴天，從這兩天可以看出，法向太陽直接輻照度增長和降低時的曲線均比較平滑，法向太陽直接輻照度均是在一天中的正午時分達到最大值，之后逐漸減弱，且13 日的法向太陽直接輻照度最大值大于18 日的數據。而19—21 日分別為陰天、霧霾、多云天氣，這3 種天氣均對法向太陽直接輻照度和太陽輻照量有影響，其中，霧霾天氣時的值最低。

不同天氣下的集熱器出口導熱油溫度和環境溫度變化情況如圖4 所示。

圖4 不同天氣下的集熱器出口導熱油溫度和環境溫度變化情況Fig.4 Variation of outlet oil temperature of heat collector and atmospheric temperature under different weather

從圖4 可以看出：晴天時，集熱器出口導熱油溫度較高，說明槽式太陽能集熱系統的集熱溫度較高；陰天時法向太陽直接輻照度較晴天時減弱，這是因為太陽被云層遮擋，槽式太陽能集熱器接收到的法向太陽直接輻照度減少，導致集熱器出口導熱油溫度降低，說明槽式太陽能集熱系統的集熱溫度降低；霧霾天氣時的法向太陽直接輻照度最低，這是因為空氣中的顆粒物削弱了太陽輻射，集熱器出口導熱油溫度降低，槽式太陽能集熱系統的集熱溫度為4 天中的最低值，說明霧霾天氣對集熱器的集熱影響最大；多云天氣時的法向太陽直接輻照度波動最大，這是因為太陽偶爾會被云層遮擋。

不同天氣下一天中槽式太陽能集熱系統的集熱效率變化情況如圖5 所示。

圖5 不同天氣下一天中槽式太陽能集熱系統的集熱效率變化情況Fig.5 Variation of heat collection efficiency of trough solar energy collection system in different weather conditions for a day

結合圖3 和圖5 可以發現：

1)晴天時，法向太陽直接輻照度和槽式太陽能集熱系統集熱效率均呈現先升高后降低的變化趨勢，法向太陽直接輻照度最高達630 W/m2，槽式太陽能集熱系統集熱效率總體分布在0%～49%；10:00 之前，槽式太陽能集熱系統集熱效率逐步提高，這是因為該時間段集熱器入口流體溫度較低，進出口的導熱油溫差較大，而導熱油的吸熱量占太陽輻射能的比例較大，從而提高了槽式太陽能集熱系統集熱效率。法向太陽直接輻照度在12:00 時達到峰值，而集熱效率在10:00時就已經達到峰值，這是因為隨著法向太陽直接輻照度增大，導熱油吸收的熱量相對減小，再加上該槽式太陽能集熱系統本身未供熱，導致熱量不斷積累，若此時有能量輸出，則集熱系統的集熱峰值會延后，且會進一步提高。但隨著法向太陽直接輻照度進一步增大，導熱油溫度不斷升高，導熱油與周圍環境溫度的溫差增大，其熱損失逐漸增大，導致槽式太陽能集熱系統集熱效率降低。

2)陰天時，槽式太陽能集熱系統集熱效率呈現先升高后平穩的變化趨勢，導致集熱效率集中分布在3%～17%，由此可見，陰天會對集熱效率產生較大影響。

3)霧霾天氣時，槽式太陽能集熱系統集熱效率總體較低，集中分布在3%～7%，說明霧霾天會對集熱系統的集熱效率產生嚴重影響。

4)多云天氣時，槽式太陽能集熱系統集熱效率在09:57 達到最高值34%后迅速下降，這是因為在10:00 之后出現云層遮擋，法向太陽直接輻照度不穩定，導致太陽輻照量大幅降低，從09:57 到11:31，槽式太陽能集熱系統集熱效率從34%降至9%。

3.2 集熱器入口流體溫度對槽式太陽能集熱系統集熱效率的影響

11 月13 日和18 日時，槽式太陽能集熱系統集熱效率隨集熱器入口流體溫度的變化情況如圖6 所示。

圖6 槽式太陽能集熱系統集熱效率隨集熱器入口流體溫度的變化Fig.6 Variation of heat collection efficiency of trough solar collector system with inlet fluid temperature of heat collector

從圖6 可以看出：當13 日和18 日的集熱器入口流體溫度分別低于55.6 ℃和48.5 ℃時，隨著集熱器入口流體溫度的逐漸升高，導熱油的動力粘度減小，雷諾數增大，換熱效果增強，導致槽式太陽能集熱系統的集熱效率持續上升。隨著集熱器入口流體溫度的升高，當因雷諾數增大而增大的換熱量小于太陽輻照量的增量時，將導致集熱系統的集熱效率逐漸減小。當集熱器入口流體溫度在34～81.5 ℃之間時，集熱系統的集熱效率處于40%～53%之間。

3.3 法向太陽直接輻照度對槽式太陽能集熱系統集熱效率的影響

選取11 月13 日和18 日這兩天的數據，分析法向太陽直接輻照度對槽式太陽能集熱系統集熱效率的影響。槽式太陽能集熱系統集熱效率隨法向太陽直接輻照度的變化如圖7 所示。

圖7 槽式太陽能集熱系統集熱效率隨法向太陽直接輻照度的變化Fig.7 Variation of heat collection efficiency of trough solar collectors with normal direct irradiance

由圖7 可知：隨著法向太陽直接輻照度逐漸增大，槽式太陽能集熱系統集熱效率先升高后降低，總體維持在30%～53%之間，當法向太陽直接輻照度為350～400 W/m2時，13 日的槽式太陽能集熱系統集熱效率最高，為53%，18 日的次之。這是因為隨著法向太陽直接輻照度的增強，導熱油的吸熱量占太陽輻照量的比例增高，使得集熱系統的集熱效率隨之逐漸升高；但隨著法向太陽直接輻照度的進一步增強，集熱管外表面溫度也逐漸升高，集熱管向外界的輻射熱損失逐漸增大，導致集熱系統的集熱效率出現下降趨勢。由于本實驗不涉及集熱系統的熱量輸出，集熱器入口流體溫度過高會使工質在流經集熱管時吸熱量減少，此外熱損失增大也會導致集熱系統在未達到最高法向太陽直接輻照度之前其集熱效率下降。因此，應該在法向太陽直接輻照度為350～400 W/m2時對集熱系統的熱量輸出加以利用。

3.4 法向太陽直接輻照度對槽式太陽能集熱器火用效率的影響

為研究法向太陽直接輻照度對槽式太陽能集熱系統?效率的影響，選取11 月13 日及18—21 日的數據進行對比分析。不同天氣下槽式太陽能集熱系統?效率隨法向太陽直接輻照度的變化如圖8 所示。

圖8 不同天氣下槽式太陽能集熱系統火用效率隨法向太陽直接輻照度的變化Fig.8 Variation of efficiency of trough solar collectors with normal solar direct irradiance under different weather conditions

由圖8 可知：不同天氣下，槽式太陽能集熱系統的?效率基本都呈現出先升高后降低的趨勢。隨著時間推移，法向太陽直接輻照度逐漸增強，導熱油吸熱量占太陽輻照量的比例增大，集熱系統的?效率逐漸升高。隨著法向太陽直接輻照度的進一步增強，導熱油溫度升高導致導熱油的吸熱量小于太陽輻照量的增量，?效率也隨之逐漸降低。晴天時，槽式太陽能集熱系統的?效率最高，集中分布在30.0%～50.7%之間，且13日的值高于18 日的值。這是因為13 日的法向太陽直接輻照度和太陽輻照量均高于18 日的值，相同天氣下，法向太陽直接輻照度和太陽輻照量越高，?效率也相對較高。本研究中，當法向太陽直接輻照度為403 W/m2時，槽式太陽能集熱系統的?效率最高，為50.7%；霧霾天氣時，槽式太陽能集熱系統的?效率僅為晴天(13 日)時的10%，由此可以看出，霧霾天氣對槽式太陽能集熱系統的?效率有著嚴重影響。

3.5 集熱器入口流體溫度對槽式太陽能集熱系統火用效率的影響

選取11 月13 日和18 日這兩天的數據，研究集熱器入口流體溫度對槽式太陽能集熱系統?效率的影響。槽式太陽能集熱系統?效率隨集熱器入口流體溫度的變化如圖9 所示。

圖9 槽式太陽能集熱系統火用效率隨集熱器入口流體溫度的變化Fig.9 Variation of exergy efficiency of trough solar collector system with inlet fluid temperature of heat collector

由圖9 可知：13 日和18 日時，槽式太陽能集熱系統的?效率均是先上升，然后緩慢下降。這是因為在這兩天，當集熱器入口流體溫度分別低于53.9℃和47.8 ℃時，隨著集熱器入口流體溫度升高，導熱油的動力粘度減小，雷諾數增大，導熱油和集熱管換熱效果增強，焓?因導熱油的吸熱量增大而增大，?效率持續上升。但隨著集熱器入口流體溫度的持續升高，因雷諾數增大而增加的換熱量逐漸趨于穩定，而太陽輻射?因太陽輻射提供的總能量的增大而增大，所以槽式太陽集熱系統?效率出現下降。當集熱器入口流體溫度為28.6 ℃時，13 日和18 日?效率分別為7.4%和3.8%，當集熱器入口流體溫度為54 ℃時，13日時的槽式太陽能集熱系統?效率為50.7%，18日的值為46.3%，由此可知，集熱器入口流體溫度對槽式太陽能集熱系統?效率的影響很大。?效率體現了能量的利用率，當集熱器入口流體溫度為32.9～71.4 ℃時，槽式太陽能集熱系統?效率處于40.0%～50.7%之間，此時熱量的利用效率最高。

4 結論

本文基于河南省焦作地區的天氣特點，對以導熱油為工質的槽式太陽能集熱系統開展實驗測定和分析，研究天氣狀況、集熱器入口流體溫度、法向太陽直接輻照度等因素對該集熱系統集熱效率、?效率的影響規律，得到以下結論：

1)陰天、霧霾、多云天氣均對法向太陽直接輻照度和太陽輻照量有影響，其中霧霾天氣的影響最大。

2)在4 種典型天氣下，晴天時槽式太陽能集熱系統的集熱效率最高，呈現先升高后降低的變化趨勢，集熱效率總體維持在30%～53%之間，?效率集中分布在30.0%～50.7%；霧霾天氣時，槽式太陽能集熱系統的集熱效率最低，集中分布在3%～7%，這說明天氣狀況會直接影響集熱系統的熱性能。

3)槽式太陽能集熱系統的集熱效率和?效率隨集熱器入口流體溫度的升高逐漸提高，入口流體溫度在32.9～71.4 ℃之間時，集熱效率和?效率維持在40%以上，這說明集熱器入口流體溫度處于該溫度段可使集熱系統的熱量利用率維持在較高水平。

集熱效率是熱平衡分析時廣泛應用的評價指標，但集熱效率只能從數值上反映能量利用率的差異，而?效率可以從熱量數值上對能量的利用程度進行描述，因此，本文以集熱效率和?效率共同描述太陽能集熱系統的熱性能。由于本文主要研究了槽式太陽能集熱系統本身的熱性能情況，無熱量的輸出和利用。因此，在本文研究基礎上熱量的輸出和利用將成為后續研究的重點。