抛物面槽式太阳能集热器热损失因素研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21070

抛物面槽式太阳能集热器热损失因素研究

徐立¹^,²^,³^,⁴, 孙飞虎¹^,²^,³^,⁴, 李钧¹^,²^,³^,⁴, 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

Study on Heat Loss Factors of Parabolic Trough Solar Collectors

XU Li¹^,²^,³^,⁴, SUN Feihu¹^,²^,³^,⁴, LI Jun¹^,²^,³^,⁴, ZHANG Qiangqiang²^,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

收稿日期: 2022-01-15

基金资助:

国家重点研究发计划项目. 2019YFE0102000

Received: 2022-01-15

作者简介 About authors

徐立(1984)，男，博士，副研究员，研究方向为太阳能集热器、吸热器性能，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；

李钧(1974)，男，博士，助理研究员，研究方向为太阳能热发电及废物清洁处理等，lijun@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，zhangqiangqiang@mail.iee.ac.cn。

摘要

将太阳能热发电技术与分布式能源系统相结合，有利于加大可再生能源在能源消费结构中的比重。抛物面槽式太阳能集热器是目前太阳能热发电中应用最为广泛的太阳能-热能转化设备，其运行特性决定了太阳能热发电技术与分布式能源系统中其他能源技术是否能够相互协同。因此，针对影响槽式集热器运行特性的热损失，开展了基于现场的规模化实验系统测试工作，验证了所建槽式集热器数学模型，并且进一步应用该模型对真空区残留气体量、风速和吸热体发射率等因素开展了参数比较分析研究。

关键词： 太阳能热发电(STE) ; 分布式能源系统 ; 太阳能集热器 ; 热损失

Abstract

Combining solar thermal electricity technology with distributed energy system is conducive to increasing the proportion of renewable energy in the energy consumption structure. Parabolic trough solar collectors are currently the most widely used solar-thermal energy conversion equipment in solar thermal electricity. Their operational characteristics determine whether solar thermal electricity technology and other energy technologies in distributed energy systems can cooperate with each other. Aiming at the heat loss affecting the operation characteristics of the trough collectors, this paper carried out the on-site utility-scale experimental system test, then verified the established mathematical model of the trough collectors, and further applied the model to analyze the parameters of the residual gas volume in the vacuum zone, the wind speed, and the emissivity of the absorber.

Keywords： solar thermal electricity (STE) ; distributed energy system ; solar collector ; heat loss

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本文引用格式

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. 发电技术[J], 2023, 44(2): 229-234 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.21070

XU Li, SUN Feihu, LI Jun, ZHANG Qiangqiang. Study on Heat Loss Factors of Parabolic Trough Solar Collectors. Power Generation Technology[J], 2023, 44(2): 229-234 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.21070

0 引言

低碳和高效是我国能源利用的发展方向^[1]。通过减少甚至取代化石燃料的消耗，太阳能热利用及热发电技术必将降低二氧化碳的排放，这是实现我国碳达峰、碳中和目标的重要能源利用技术^[2-3]。带有太阳能热发电(solar thermal electricity，STE)技术的多能互补分布式能源系统具有明显的节能环保优势，且其太阳能净发电效率高，也有利于加大可再生能源在能源消费结构中的比重。抛物面槽式太阳能集热器(简称“槽式集热器”)是目前太阳能热发电技术中应用最为广泛的太阳能-热能转化设备^[4]。除太阳能热发电外，槽式集热器还被广泛应用于其他领域，如工业热过程、海水淡化、制冷和太阳能化学等^[5-6]。因此，为提高槽式集热器的效率并降低其成本，国内外研究者对槽式集热器的热损失特性进行了大量研究。

一些研究者通过分析导致槽式集热器热量损失的影响因素，或者通过测量总的槽式集热器热量损失，来开展槽式集热器的热损失相关研究。文献[7]研究了槽式集热器的真空吸热金属管中残余气体的组分和分压随温度的变化，结果表明：当槽式集热器的真空吸热金属管中没有吸气剂时，氢气是真空吸热金属管环形空间中的主要残余气体；当槽式集热器的真空吸热金属管中有吸气剂时，氮气是真空吸热金属管中释放的主要气体。文献[8]分析了导致槽式集热器的真空吸热金属管热损失的主要原因，包括真空吸热金属管玻璃罩管与吸热体之间的真空维护不当，高温下吸热体表面选择性涂层的降解，吸热体的温度分布、氢气积聚及其对真空吸热金属管的渗透。文献[9]测试了3个槽式集热器的真空吸热金属管的热损失，结果发现：在400 ℃的工作温度下，对于直径为70 mm的真空吸热金属管1、2，其单位吸热金属管长度的热损失功率分别为225、231 W/m；对于直径为90 mm的真空吸热金属管3，其单位吸热金属管长度的热损失功率为322 W/m。

然而，对于导致槽式集热器热损失的关键因素对其总体热性能的影响研究鲜见报道。为此，本文利用建立的数学模型，开展了基于现场的规模化实验系统测试工作，通过采集的实验数据验证了该模型，并且应用该模型进一步分析了热损失因素对槽式集热器总体热性能的影响。

1 数学模型

抛物面槽式太阳能集热器通过驱动槽形反射器将太阳光聚集到真空吸热金属管上，以便将太阳能转换为有用的热能。具有玻璃罩管的抽空式真空吸热金属管通常用作槽式集热器的集热元件(heat collection element，HCE)，从而减少来自槽式集热器的对流热损失，并且还能够保护吸热金属管外壁上的选择性涂层免受环境空气的氧化作用。当传热流体(heat transfer fluid，HTF)被泵入槽式集热器的集热元件时，来自吸热金属管内壁的热量被传递到传热流体中，因此有用的能量从槽式集热器中被传热流体带出。

基于集热元件的能量平衡，本文开展了槽式集热器的热分析，如图1所示，其中：q_b,abs是太阳光经抛物镜面反射、透过玻璃罩管到达吸热金属管外表面并且被吸热金属管吸收的热流量；q_g,abs是太阳光经抛物镜面反射、到达玻璃罩管外表面并且被玻璃罩管吸收的热流量；q_g,r是从玻璃罩管损失到周围环境的辐射热流量；q_g,c是从玻璃罩管损失到周围环境的对流热流量；q_b,r是从吸热金属管损失到玻璃罩管的辐射热流量；q_b,c是从吸热金属管损失到玻璃罩管的对流热流量；q_HTF是从吸热金属管传递到传热流体的对流热流量。以上参数的计算参见文献[10]。

图1

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图1 抛物面槽式太阳能集热器的集热元件热分析

Fig. 1 Thermal analysis on HCE of parabolic trough solar collectors

基于槽式集热器集热元件的动态能量平衡，对吸热金属管、玻璃罩管和传热流体分别建立如下控制微分方程：

q_{b, c o n d} + q_{b, a b s} = q_{H T F} + q_{b, r} + q_{b, c} + ρ_{b} c_{p_{b}} V_{b} \frac{d T_{b}}{d τ}

(1)

q_{g, c o n d} + q_{g, a b s} + q_{b, r} + q_{b, c} = q_{g, r} + q_{g, c} + ρ_{g} c_{p_{g}} V_{g} \frac{d T_{g}}{d τ}

(2)

π d h_{H T F} (T_{b} - T_{H T F}) = c_{p_{H T F}} \dot{m} (T_{H T F, +} - T_{H T F}) / L

(3)

式中：q_b,cond为经过吸热金属管内外表面的导热热流量；q_g,cond为经过玻璃罩管内外表面的导热热流量； $ρ_{b}$ 和 $ρ_{g}$ 分别为吸热金属管和玻璃罩管的密度；T_b、T_g和T_HTF分别是吸热金属管、玻璃罩管和传热流体的温度； $c_{p_{b}}$ 、 $c_{p_{g}}$ 和 $c_{p_{H T F}}$ 分别为吸热金属管、玻璃罩管和传热流体的比热容；V_b和V_g分别为吸热金属管和玻璃罩管的单元体体积；d为吸热金属管内径；L为吸热金属管单元体长度；τ为时间； $\dot{m}$ 为传热流体流经槽式集热器的质量流量；h_HTF为传热流体与吸热金属管内壁的对流换热系数；下标“+”表示下游相邻控制体。

2 实验验证

为了确保模型的可靠性和准确性，以及提供进一步分析研究，先通过测量应用规模的槽式集热器系统，获得一组体现槽式集热器热性能的典型实验数据，再将其与模型的模拟结果进行比较。实验使用的抛物面槽式太阳能集热器如图2所示，总长度接近600 m，采光口面积为3 317.8 m²，沿东西向水平轴跟踪太阳光。槽式集热器的结构参数如下：采光口宽度为5.76 m，焦距为1.71 m；吸热金属管外径为0.07 m，厚度为0.003 m；玻璃罩管外径为0.125 m，厚度为0.003 m；单根真空吸热金属管长度为4.06 m。

图2

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图2 实验使用的抛物面槽式太阳能集热器

Fig. 2 Parabolic trough solar collectors used in the experiment

为了验证模型的可靠性，本文模拟了传热流体温度升高的过程，以使槽式集热器尽可能充分地经历其正常运行工作温度的范围。因此，在典型的天气条件下，在该运行过程中收集了实验数据。传热流体在入口、出口处的实验测量值和在出口处的模拟值如图3所示，这表明实验所测量的运行状态实际上是一个典型的槽式集热器启动过程。由图3可见，对于传热流体在出口处的温度值，模型预测和实验测量误差较小，表明所采用的模型是可靠的。因此，应用该模型进一步分析热损失因素对槽式集热器性能的影响是合理的。

图3

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图3 传热流体在入口、出口处的实验测量值和在出口处的模拟值

Fig. 3 Measured HTF temperatures at the inlet, and measured and simulated HTF temperatures at the outlet

3 分析讨论

3.1 真空区残留的气体影响

为了比较分析，选择一组典型的运行条件作为基础情形，其边界条件如下：槽式集热器暴露于太阳法向直射辐照度为900 W/m²，周围的空气温度为25 ℃，风速为4 m/s，传热流体进入槽式集热器的温度为290 ℃，传热流体经过槽式集热器的流量为40.35 m³/h。此时，传热流体离开槽式集热器的温度为394 ℃。

此外，本文提出了热增益效率的概念，即

η_{H T F} = \frac{\int q_{H T F} d τ}{\int q_{b, a b s} d τ}

(4)

应注意，与大多数太阳能集热器的热效率定义^[11-14]不同，热增益效率的定义不包括光学损失。

由于在真空区残留的气体中，H₂对槽式集热器热损失的影响最为明显，所以本文选取H₂在环形真空区中4个压力值(0.01、10、1 000、100 000 Pa)，分别使用前文提出的典型运行条件计算槽式集热器的热性能，结果如图4所示，它描述了不同H₂压力下传热流体温度沿距集热器入口距离的分布。由图4可见，由于在槽式集热器入口处传热流体温度相同，对于这4个环形真空区压力值，随着传热流体流经，其温升逐渐开始有差异，直到离开槽式集热器，这种差异达到最大化。当环形真空区中的H₂压力从0.01 Pa增加到10 Pa时，热增益效率将降低9.6%。对于10 Pa和1 000 Pa这2个环形真空区压力值，传热流体的温度分布非常相似，即使在槽式集热器出口处出现的温度最大差异也不超过2.4 ℃。吸热金属管的对流、辐射热损失以及热增益效率如表1所示。可以看出，随着H₂压力的增大，来自吸热金属管的对流热损失增加，H₂压力为100 000 Pa时的q_b,c约是0.01 Pa时的300倍。

图4

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图4 不同H₂压力下传热流体温度沿距集热器入口距离的分布

Fig. 4 Distribution of HTF temperature along distance from collector inlet under different H₂ pressures

表1 对于不同H₂压力的能量分析

Tab. 1 Energy analysis for different H₂ pressures

H₂压力/Pa	q_b，c/kW	q_b，r/kW	$η$ _HTF/%
0.01	1.3	126.0	94.5
10	238.8	114.2	84.9
1 000	293.1	111.4	82.7
100 000	393.6	106.0	78.5

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3.2 风速的影响

由于从玻璃罩管到周围环境的对流热损失可能导致槽式集热器的总体热损失，因此应考虑风速对槽式集热器性能的影响。本文通过给出不同风速下槽式集热器各部分热损失的相对大小来分析槽式集热器的热性能。

选取4个风速值(2、4、6、12 m/s)，分别使用前文提出的典型运行条件(风速值除外)计算槽式集热器的热性能，结果如图5所示，它描述了不同风速下传热流体温度沿距集热器入口距离的分布。可以看出，不同风速下传热流体的温度分布曲线重合，这是因为对于一个环形真空区处于良好状态的真空吸热管，吸热金属管的低发射率对吸热金属管和玻璃罩管之间的热传递产生了很大的热阻。表2为玻璃罩管的对流、辐射热损失以及热增益效率。由于风速增大，来自玻璃罩管的对流热损失率增加，导致玻璃罩管温度降低。此外，降低的玻璃罩管温度使得来自玻璃罩管的辐射热损失率降低。增加的对流量几乎等于减少的辐射量，因此，随着风速从2 m/s变为12 m/s，来自槽式集热器的总热损失略有变化，热增益效率仅有0.14%的变化。

图5

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图5 不同风速下传热流体温度沿距集热器入口距离的分布

Fig. 5 Distribution of HTF temperature along distance from collector inlet under different wind speeds

表2 对于不同风速的能量分析

Tab. 2 Energy analysis for different wind speeds

风速/(m⋅s^-1)	q_g，c/kW	q_g，r/kW	$η$ _HTF/%
2	121.9	54.8	94.61
4	139.4	38.7	94.55
6	148.3	30.5	94.52
12	161.7	18.0	94.47

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3.3 吸热体发射率的影响

吸热金属管外表面通常采用选择性涂层，能够提供对太阳辐射的高吸收率和对长波辐射的低辐射率。吸热体发射率大多采用基于实验数据确定的多项式曲线拟合方程，该经验公式是吸热金属管温度T_b的函数。

在真空环境中，选择性涂层可以很好地工作。然而，一旦诸如空气的气体量增加，尤其是在高温下，由于涂层的劣化，吸热体发射率将增加。因此，为了分析吸热体发射率变化对槽式集热器热性能的影响，基于参考文献[15]中的发射率拟合方程，将吸热体发射率 $ε_{b}$ 定义为吸热金属管温度和发射率乘数F_emi的函数：

\begin{array}{l} ε_{b} = [6.282 \times 10^{- 2} + 1.208 \times 10^{- 4} (T_{b} - 273.15) + \\ 1.907 \times 10^{- 7} (T_{b} {- 273.15)}^{2}] F_{e m i} \end{array}

(5)

在本文中，当F_emi=1时，吸热体发射率拟合方程是基准方程。

首先，选取F_emi=0.5, 1, 4，计算吸热体发射率，其随吸热金属管温度的变化如图6所示。分别使用前文提出的典型运行条件计算槽式集热器的热性能，结果如图7所示，它描述了不同吸热体发射率乘数下传热流体温度沿距集热器入口距离的分布。由图7可见，与基准相比，当F_emi=4时，由于吸热金属管的辐射热损失增加，传热流体在槽式集热器出口处的温度降低了14.4 ℃；当F_emi=0.5时，尽管发射率从基准减半，但是传热流体在槽式集热器出口处的温度仅增加了2.9 ℃。

图6

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图6 不同吸热体发射率乘数下吸热体发射率随温度的变化

Fig. 6 Variation in the absorber emissivity with the absorber temperature under different emissivity multipliers

图7

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图7 不同吸热体发射率乘数下传热流体温度沿距集热器入口距离的分布

Fig. 7 HTF temperature distribution along the length from the collector inlet under different emissivity multipliers

表3为热分析结果，揭示了吸热金属管的辐射热损失，玻璃罩管的对流、辐射热损失，以及热增益效率。较大的吸热体发射率乘数将增加吸热金属管的辐射热损失率，导致吸热金属管温度降低，玻璃罩管温度升高，因此来自玻璃罩管的对流速率和辐射热损失都将增加。当吸热体发射率乘数是基数的4倍时，热增益效率将降低约13%。

表3 对于不同吸热体发射率乘数的能量分析

Tab. 3 Energy analysis for different emissivity multipliers

F_emi	q_g，c/kW	q_g，r/kW	q_b，r/kW	$η$ _HTF/%
0.5	92.6	24.3	64.9	97.2
1	139.4	38.7	126.0	94.5
4	353.1	125.5	426.9	81.7

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4 结论

利用建立的槽式集热器模型，开展了基于现场的规模化实验系统测试工作，对模型进行了验证，并应用该模型对热损失影响因素进行了参数比较分析研究，得到如下结论：

1）当环形真空区中的H₂压力从0.01 Pa增加到10 Pa时，热增益效率将降低9.6%；当环形真空区中的H₂压力值为100 000 Pa时，吸热金属管的对流热损失约是0.01 Pa时的300倍。

2）当风速从2 m/s变为12 m/s时，来自槽式集热器的总热损失略有变化，热增益效率仅有0.14%的变化，表明对于环形真空区处于良好状态的真空吸热管，风速对热损失的影响不大。

3）当发射率乘数是基准的4倍时，热增益效率将降低约13%，表明较大的发射率乘数会增加吸热金属管辐射热损失，从而导致吸热金属管温度降低，玻璃罩管温度升高。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

王志峰，何雅玲，康重庆，等．

明确太阳能热发电战略定位促进技术发展

[J]．华电技术，2021，43(11)：1-4．