一种太阳能集热器流体平均温度计算方法

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21071

发电技术 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (3): 405-412.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.21071

一种太阳能集热器流体平均温度计算方法

徐立¹^,²^,³^,⁴, 孙飞虎¹^,²^,³^,⁴, 李志², 张强强²^,³

^1.中国科学院太阳能热利用及光伏系统重点实验室，北京市海淀区 100190
^2.中国科学院电工研究所，北京市海淀区 100190
^3.中国科学院大学，北京市海淀区 100049
^4.北京市太阳能热发电工程技术研究中心，北京市海淀区 100190

收稿日期:2021-09-01 出版日期:2022-06-30 发布日期:2021-08-13
作者简介:徐立(1984)，男，博士，副研究员，研究方向为太阳能集热器和吸热器性能、太阳能热化学储能、电子器件散热和电池热管理等，xuli1@mail.iee.ac.cn；
孙飞虎(1980)，男，博士，助理研究员，研究方向为太阳能定日镜跟踪质量诊断、定日镜场跟踪校正和聚光能流密度分布测量等，sunfeihu@mail.iee.ac.cn；
李志志(1988)，男，博士后，研究方向为换热设备性能、电气与电子装备冷却技术等，lizhi@mail.iee.ac.cn；
张强强(1986)，男，博士，副研究员，研究方向为太阳能吸热器性能评价和太阳能热化学等，本文通信作者，zhangqiangqiang@mail.iee.ac.cn。
基金资助:
国家重点研发计划项目(2018YFB0905102);中国科学院国际伙伴计划项目(182111KYSB20200021);中国科学院电工研究所科研基金(E155710101)

A Calculation Method of Average Fluid Temperature in Solar Collector

Li XU¹^,²^,³^,⁴, Feihu SUN¹^,²^,³^,⁴, Zhi LI², Qiangqiang ZHANG²^,³

^1.Key Laboratory of Solar Thermal Energy and Photovoltaic System, Chinese Academy of Sciences, Haidian District, Beijing 100190, China
^2.Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Haidian District, Beijing 100190, China
^3.University of Chinese Academy of Sciences, Haidian District, Beijing 100049, China
^4.Beijing Engineering Research Center of Solar Thermal Power, Haidian District, Beijing 100190, China

Received:2021-09-01 Published:2022-06-30 Online:2021-08-13
Supported by:
National Key R&D Program of China(2018YFB0905102);International Partnership Program of Chinese Academy of Sciences(182111KYSB20200021);Research Fund of Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences(E155710101)

摘要/Abstract

摘要：

太阳能集热器是进行光热转换的重要设备，既可以应用于塔式热发电技术进行集中式能源利用，也可以应用于碟式热发电技术进行分布式能源利用，因此评估太阳能集热器的热性能十分重要。为此，提出了一种计算太阳能集热器流体平均温度的新方法，经实验验证，计算结果与实验数据符合较好，证明该方法可以较好地预测太阳能集热器的流体平均温度。为了更好地掌握太阳能集热器的热性能，研究了不同参数对太阳能集热器热效率的影响，结果表明：当输入功率恒定时，增大流量可以有效提高太阳能集热器的效率；当流量恒定时，太阳能集热器效率随着输入功率的增加会先升高后降低；太阳能集热器的效率与入口温度成反比，与环境温度成正比。

关键词: 太阳能热发电, 太阳能集热器, 流体平均温度, 热性能

Abstract:

The solar collector is an important equipment for photo-thermal conversion. It can be used not only for centralized energy utilization by tower thermal power generation technology, but also for distributed energy utilization by disc thermal power generation technology. Therefore, it is necessary to evaluate the thermal performance of solar collectors. A new method was proposed to calculate the average fluid temperature of solar collectors. The experimental results show that the calculation results are in good agreement with the experimental data, which proves that the method can predict the average fluid temperature of solar collector. The effect of different parameters on thermal efficiency was also investigated to better acquire the thermal performance of solar collectors. The results show that when the input power is constant, increasing the flow rate can effectively improve the efficiency of solar collector. When the flow rate is constant, the efficiency of solar collector increases first and then decreases with the increase of input power. The efficiency of solar collector is inversely proportional to the inlet temperature and proportional to the ambient temperature.

Key words: solar thermal power generation, solar collector, average fluid temperature, thermal performance

中图分类号:

TK 51

徐立, 孙飞虎, 李志, 张强强. 一种太阳能集热器流体平均温度计算方法[J]. 发电技术, 2022, 43(3): 405-412.

Li XU, Feihu SUN, Zhi LI, Qiangqiang ZHANG. A Calculation Method of Average Fluid Temperature in Solar Collector[J]. Power Generation Technology, 2022, 43(3): 405-412.

图/表 15

图1 太阳能集热器结构示意图

Fig. 1 Structure of solar collector

图2 管板结构示意图

Fig. 2 Structure of receiver panel

图3 实验台结构图

Fig. 3 Structure of experimental platform

表1 太阳能集热器的结构参数

Tab. 1 Structural parameters of solar collector

结构	管板数	单个管板吸热管数	外径/mm	壁厚/mm	采光口面积/m²
腔式太阳能集热器	7	4	14	1.4	0.12

表2 参考工况下各参数的值

Tab. 2 Parameter values under reference condition

m ˙

/(kg·s^-1)

v_w/(m·s^-1)

ε_p

ε_r

k_p/

(W·m^-1·K^-1)

表2 参考工况下各参数的值

Tab. 2 Parameter values under reference condition

参数

Q_net,in/kW

T_a/K

T_fi/K

m ˙

/(kg·s^-1)

v_w/(m·s^-1)

ε_p

ε_r

k_p/

(W·m^-1·K^-1)

数值

140

293.15

493.15

0.5

0.66

0.8

表3 测量参数的范围及不确定度

Tab. 3 Ranges and uncertainties of test parameters

参数	范围	不确定度
输入功率	0~200 kW	±0.5%
入口温度	0~510 ℃	±1.5 ℃
出口温度	0~510 ℃	±1.5 ℃
环境温度	5~40 ℃	±1.5 ℃
体积流量	0~24 L/min	±1%

图4 太阳能集热器的入口温度和输入功率

Fig. 4 Inlet temperature and input power of solar collector

图5 太阳能集热器的环境温度和质量流量

Fig. 5 Ambient temperature and mass flow rate of solar collector

图6 流体平均温度的计算结果与实验数据的对比

Fig. 6 Comparison between calculation results and experimental data of average fluid temperature

图7 不同工况下流体平均温度的计算结果与实验数据的最大相对误差

Fig. 7 Maximum relative error between calculation results and experimental data of average fluid temperature under different working conditions

图8 太阳能集热器输入功率的分布

Fig. 8 Distribution of input power of solar collector

图9 不同输入功率分布下太阳能集热器的效率值

Fig. 9 Thermal efficiency of solar collector under different input power distributions

图10 入口温度与环境温度对太阳能集热器效率的影响

Fig. 10 Effect of inlet and ambient temperature on thermal efficiency of solar collector

图11 输入功率与流量对太阳能集热器效率的影响

Fig. 11 Effect of input power and mass flow rate on thermal efficiency of solar collector

图12 不同参数对太阳能集热器效率的敏感性分析

Fig. 12 Sensitivity analysis of different parameters on thermal efficiency

参考文献 23

1	张哲旸，巨星，潘信宇，等.太阳能光伏‒光热复合发电技术及其商业化应用[J]．发电技术，2020，41(3)：220-230．
	ZHANG Z Y， JU X， PAN X Y，et al. Photovoltaic/concentrated solar power hybrid technology and its commercial application[J]．Power Generation Technology，2020，41(3)：220-230．
2	张晓东，牛海明．槽式光热电站镜场效率计算模型与仿真分析[J]．分布式能源，2020，5(5)：56-63． doi:10.16513/j.2096-2185.DE.2006010
	ZHANG X D， NIU H M ．Calculation model and simulation analysis of mirror field efficiency of through CSP station[J]．Distributed Energy，2020，5(5)：56-63． doi:10.16513/j.2096-2185.DE.2006010
3	王泽众，黄平瑞，魏高升，等．太阳能热发电固‒气两相化学储热技术研究进展[J]．发电技术，2021，42(2)：238-246．
	WANG Z Z， HUANG P R， WEI G S，et al ．Research progress of solid-gas two-phase chemical heat storage technology for solar thermal power generation[J]．Power Generation Technology，2021，42(2)：238-246．
4	梁政，魏震波，孙舟倍，等．光热发电商参与下的电力现货市场均衡分析[J]．电力建设，2022，43(1)：122-131．
	LIANG Z， WEI Z B， SUN Z B，et al ．Analysis of the equilibrium of electricity spot market with the participation of CSP[J]．Electric Power Construction，2022，43(1)：122-131．
5	XU C， LI X， WANG Z，et al ．Effects of solid particle properties on the thermal performance of a packed-bed molten-salt thermocline thermal storage system[J]．Applied Thermal Engineering，2013，57(1/2)：69-80． doi:10.1016/j.applthermaleng.2013.03.052
6	DU B C， HE Y L， ZHENG Z J，et al ．Analysis of thermal stress and fatigue fracture for the solar tower molten salt receiver[J]．Applied Thermal Engineering，2016，99：741-750． doi:10.1016/j.applthermaleng.2016.01.101
7	Sandia National Lab ．A final report on the Phase 1 testing of a molten-salt cavity receiver[R]．Albuquerque：Sandia National Lab，1992． doi:10.2172/5042358
8	WANG K， HE Y L， QIU Y，et al ．A novel integrated simulation approach couples MCRT and Gebhart methods to simulate solar radiation transfer in a solar power tower system with a cavity receiver[J]．Renewable Energy，2016，89：93-107． doi:10.1016/j.renene.2015.11.069
9	TEHRANI S S M， TAYLOR R A ．Off-design simulation and performance of molten salt cavity receivers in solar tower plants under realistic operational modes and control strategies[J]．Applied Energy，2016，179：698-715． doi:10.1016/j.apenergy.2016.07.032
10	LI X， KONG W， WANG Z，et al ．Thermal model and thermodynamic performance of molten salt cavity receiver[J]．Renewable Energy，2010，35(5)：981-988． doi:10.1016/j.renene.2009.11.017
11	RODRÍGUEZ-SÁNCHEZ M R， SÁNCHEZ- GONZÁLEZ A， MARUGÁN-CRUZ C，et al ．New designs of molten-salt tubular-receiver for solar power tower[J]．Energy Procedia，2014，49：504-513． doi:10.1016/j.egypro.2014.03.054
12	RODRÍGUEZ-SÁNCHEZ M R， MARUGAN-CRUZ C， ACOSTA-IBORRA A，et al ．Comparison of simplified heat transfer models and CFD simulations for molten salt external receiver[J]．Applied Thermal Engineering，2014，73(1)：993-1005． doi:10.1016/j.applthermaleng.2014.08.072
13	FANG J， TU N， WEI J ．Effects of absorber emissivity on thermal performance of a solar cavity receiver [J]．Advances in Condensed Matter Physics，2014，2014：1-10． doi:10.1155/2014/564639
14	FANG J B， TU N， WEI J J ．Numerical investigation of start-up performance of a solar cavity receiver[J]．Renewable Energy，2013，53：35-42． doi:10.1016/j.renene.2012.10.053
15	CHANG Z， LI X， XU C，et al ．Numerical simulation on the thermal performance of a solar molten salt cavity receiver[J]．Renewable Energy，2014，69：324-335． doi:10.1016/j.renene.2014.03.044
16	TEICHEL S H， FEIERABEND L， KLEIN S A，et al ．An alternative method for calculation of semi-gray radiation heat transfer in solar central cavity receivers [J]．Sol Energy，2012，86(6)：1899-1909． doi:10.1016/j.solener.2012.02.035
17	GONZALEZ M M， PALAFOX J H， ESTRADA C A ．Numerical study of heat transfer by natural convection and surface thermal radiation in an open cavity receiver[J]．Sol Energy，2012，86(4)：1118-1128． doi:10.1016/j.solener.2012.01.005
18	WAGNER M J ．Simulation and predictive performance modeling of utility-scale central receiver system power plants[D]．Wisconsin：University of Wisconsin Madison，2008． doi:10.1115/es2009-90132
19	ZHANG Q， LI X， WANG Z，et al ．Cavity receiver thermal performance analysis based on total heat loss coefficient and efficiency factor[J]．International Journal of Energy Research，2018，42(6)：2284-2289． doi:10.1002/er.3999
20	YANG Z， GARIMELLA S V ．Thermal analysis of solar thermal energy storage in a molten-salt thermocline [J]．Solar Energy，2010，84(6)：974-985． doi:10.1016/j.solener.2010.03.007
21	ZHANG Q， LI X， CHANG C，et al ．An experimental study：thermal performance of molten salt cavity receivers[J]．Applied Thermal Engineering，2013，50 (1)：334-341． doi:10.1016/j.applthermaleng.2012.07.028
22	ZHANG Q， LI X， WANG Z，et al ．Experimental and theoretical analysis of a dynamic test method for molten salt cavity receiver[J]．Renewable Energy，2013，50：214-221． doi:10.1016/j.renene.2012.06.054
23	LIAO Z， LI X， XU C，et al ．Allowable flux density on a solar central receiver[J]．Renewable Energy，2014，62：747-753． doi:10.1016/j.renene.2013.08.044

[1]	徐立, 孙飞虎, 李钧, 张强强. 抛物面槽式太阳能集热器热损失因素研究[J]. 发电技术, 2023, 44(2): 229-234.
[2]	徐运飞, 吴水木, 李英杰. 面向太阳能热发电的CaO-CO₂热化学储热技术研究进展[J]. 发电技术, 2022, 43(5): 740-747.
[3]	肖瑶, 钮文泽, 魏高升, 崔柳, 杜小泽. 太阳能光伏/光热技术研究现状与发展趋势综述[J]. 发电技术, 2022, 43(3): 392-404.
[4]	廖志荣, 李朋达, 田紫芊, 徐超, 魏高升. 非均匀翅片对级联相变储热系统热性能强化的研究[J]. 发电技术, 2022, 43(1): 83-91.
[5]	丁路, 肖欣悦, 奚正稳, 华文瀚. 塔式太阳能吸热器不同方位高空风速模拟计算及影响分析[J]. 发电技术, 2021, 42(6): 707-714.
[6]	罗玉浩, 吴国栋, 唐奕凡, 白鹏飞, 周国富. 内冷蒸发腔式太阳能集热器的设计与实验分析[J]. 发电技术, 2021, 42(6): 715-726.
[7]	孙浩, 高博, 刘建兴. 塔式太阳能电站定日镜场布局研究[J]. 发电技术, 2021, 42(6): 690-698.
[8]	刘兰华, 狄林文, 董兴万, 王瑞林. 抛物槽式聚光太阳能集热回路动态特性研究[J]. 发电技术, 2021, 42(6): 673-681.
[9]	徐立, 孙飞虎, 李钧, 张强强. 流量对抛物面槽式太阳能集热器传热特性影响的实验分析[J]. 发电技术, 2021, 42(6): 665-672.
[10]	刘兰华, 王瑞林, 洪慧. 塔式太阳能辅助燃气蒸汽联合循环钙基碳捕集系统设计[J]. 发电技术, 2021, 42(4): 517-524.
[11]	王泽众, 黄平瑞, 魏高升, 崔柳, 徐超, 杜小泽. 太阳能热发电固–气两相化学储热技术研究进展[J]. 发电技术, 2021, 42(2): 238-246.
[12]	刘尧东, 张燕平, 万亮, 高伟. 基于Al₂O₃纳米流体的槽式太阳能热发电集热器传热建模及性能分析[J]. 发电技术, 2021, 42(2): 230-237.
[13]	郑开云. 超临界二氧化碳循环发电技术应用[J]. 发电技术, 2020, 41(4): 399-406.
[14]	张哲旸,巨星,潘信宇,杨宇,徐超,杜小泽. 太阳能光伏-光热复合发电技术及其商业化应用[J]. 发电技术, 2020, 41(3): 220-230.
[15]	佟锴,杨立军,宋记锋,杜小泽,杨勇平. 聚光太阳能集热场先进技术综述[J]. 发电技术, 2019, 40(5): 413-425.

一种太阳能集热器流体平均温度计算方法

A Calculation Method of Average Fluid Temperature in Solar Collector

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 15

参考文献 23

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价