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

\dot{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

\dot{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

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