太阳能腔式吸热器光热转换特性及其在油田上的应用

毛前军，谢 鸣，帅 永，谈和平

（1.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001； 2.黑龙江省高校防灾减灾及防护工程重点实验室，黑龙江 大庆 163318）

0 引言

随着我国油田相继进入高含水开采后期和生产规模不断扩大，油田能耗总量巨大，节能形势严峻，节能降耗需求日益迫切.太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，具有取之不尽、用之不竭的优点，高效收集和利用是太阳能产业化和规模化的关键所在［1-2］.

多碟太阳能聚光系统是实现太阳能高效光热转换的有效方式之一.多碟太阳能聚光系统光热转换效率研究手段主要包括数值模拟和实验测试.Henden L等［3］针对两种不同的太阳能吸热器进行效率实验测试，结果表明在吸热器面积为30～100m2的条件下效率在22%～45%之间变化.Janjai S等［4］介绍太阳辐射强度对系统热效率的重要作用，采用卫星数据测试泰国不同城市、不同季节的逐时太阳辐射强度，并与理论计算结果进行比较，平方根误差在10%以内.Yao Z H等［5］采用HFLD软件，计算中国首座1MW中央吸热器系统定日镜场布置设计和属性，建立太阳能镜场设计的数学模型及各部分之间的耦合关系，并基于能量守恒定律数值模拟日平均和年平均光电转换量.David B等［6］总结包括聚焦太阳能集热器、抛物线槽式集热器、定日场集热器、线性菲涅尔透镜、抛物线碟式集热器、聚集光伏、聚焦太阳能热电技术、热能储存、能量循环及其应用等.Su Y等［7］分析澳门地区太阳辐照强度的日变化规律和年变化规律，建立理论计算模型，研究太阳能系统的效率计算方法.Panwar N L等［8］以抛物线碟式太阳能系统加热热水为研究对象，对系统的进出口能量进行实验测试，计算该系统的热效率，抛物线碟式太阳能系统的最大热效率为32.97%.Reddy K S等［9］认为太阳能抛物线碟式集热器是所有聚焦太阳能系统中最重要和最有效的技术手段之一，抛物线碟式太阳能系统的设计和位置直接影响系统输出能量的大小，以印度58个位置测试数据为基础，建立输出能量与朝向（东西、南北）、纬度和运行时间之间的函数关系.

近年来，随着中国经济的发展及对能源需求的增加，我国也对多碟太阳能聚光系统展开相关研究.刘志刚等［10］根据碟式聚光镜聚光后的焦平面处辐射能能流分布图，以及关键尺寸对各种热量损失的影响，设计一种新型高效腔式吸热器.方嘉宾等［11］采用蒙特卡洛法，对一个开口大且内部开有U型气体加热通道的太阳能腔式吸热器进行热流分布数值模拟.杜胜华等［12］以大型实时追踪碟式太阳能反射器为研究对象，采用蒙特卡洛射线踪迹法研究太阳光不平行度与定向跟踪精度对聚光性能的影响.王志峰等［13］对全玻璃真空管空气集热器进行数值模拟，研究物理模型、数学模型及求解条件等.李铁等［14］给出一种太阳能斯特林机用新型吸热器的结构设计，基于综合分析方法设计可以将工质进行分流及汇集的顶盖.熊亚选等［15］建立槽式太阳能集热管传热损失性能计算分析的二维稳态经验模型，对槽式太阳能集热管传热损失的性能进行数值模拟.

腔式吸热器是太阳光热转换的重要设备之一，直接影响系统的效率.笔者以油田规模化利用太阳能为背景，基于蒙特卡洛射线踪迹法对腔式吸热器内表面热流密度进行数值模拟，设计一种新型太阳能腔式吸热器，并对吸热器出口水温是否满足油田需求进行计算，为太阳能吸热器在油田实现产业化和规模化提供支持.

1 数值模拟方法

1.1 物理模型

多碟太阳能聚光系统物理模型分为12个表面（见图1）.太阳光线从假想发射面发射出来，投射到抛物线碟面上，然后大部分光线通过聚焦后被反射到腔式吸热器.该吸热器放置在抛物线碟面的焦点处，光线进入吸热器后大部分光线被吸收或者多次反射后被吸收，少量光线从吸热器开口处逃逸出去.整个太阳光线假设在一个很大的封闭空腔里面完成，封闭腔是由6个表面方程组成的一个立方体结构.圆柱形腔式吸热器的侧表面分为两个表面（内侧和外侧），表面方程相同，法向向量相反.同时，焦面也假设为两个面，当光线从聚光器入射进吸热器时称为第8表面，当光线从吸热器中逃逸出去时称为第9表面.

数值模拟基于Fortran95语言，系统由12个表面组成，太阳光线光热转换是在圆柱形腔式吸热器里实现的，每个表面方程的表达式编号见图1，具体方程：

表面1：z＋11 000＝0；表面2：z-11 000＝0；表面3：y＋11 000＝0；表面4：y-11 000＝0；表面5：x-11 000＝0；表面6：x＋11 000＝0；表面7：x2＋y2-13 000z＝0；表面8：x-3 250＝0；表面9：z-3 250＝0；表面10：x2＋y2-10 000＝0；表面11：x2＋y2-10 000＝0；表面12：z-260＝0.

1.2 数学模型

采用蒙特卡洛射线踪迹法编程求解.该方法是一种经典的概率模型计算方法，其概率模型分为漫射方向概率模型、发射点概率模型、光线方向概率模型、光线吸收或反射模型［16］.

1.2.1 漫射方向概率模型

太阳光线在集热器镜面发生漫反射时，反射方向用当地坐标系O＊X＊Y＊Z＊中的天顶角θ和圆周角φ表示，根据Lambert定律得出θ和φ的概率模型为

式中：Rθ和Rφ分别为天顶角θ和圆周角φ的随机数.

1.2.2 发射点概率模型

在直角坐标系下，半径为r的圆形表面的发射点模型为

1.2.3 光线方向的概率模型

根据Lambert定律，在计算中太阳光线方向的概率模型为

1.2.4 光线吸收或反射判断

在数值模拟过程中，需要判断光线是反射还是吸收.如果光线被反射，同时还需要判断是漫反射还是镜反射，两者的计算分别采用不同的计算子程序.当太阳光线的反射次数超过30次，则认为该光线可以忽略不计，即光线的能量值几乎为0，其他情况需要不断的进行光线跟踪.当太阳光线被表面吸收时，只需统计光线的数目而不用继续跟踪.

2 数值模拟结果

基于蒙特卡洛射线踪迹法数值模拟参数：吸热器内壁吸收率为0.65，聚光镜表面反射率为0.9，抛物线碟式聚能器焦距为3 250mm，聚能器半径为2 600mm，太阳辐射强度为1 100W／m2，聚光器的面型误差为0mrad.吸热器内热流密度三维数值模拟见图2，吸热器内表面的热流密度沿吸热器高度方向的曲线见图3.

由图2和图3可以看出：（1）吸热器腔内的热流密度沿高度方向基本呈正态分布，沿圆周方向对称.（2）吸热器内热流密度主要分布在高度方向75～260mm之间，高度方向为0～75mm之间热流密度很小.（3）太阳辐射强度为1 100W／m2，最大热流密度为0.22MW／m2时，系统的聚光比为200.（4）热流密度最大峰值出现在高度方向130mm处.

为验证数值模拟结果可靠性，采用文献［17］模型计算太阳能腔式吸热器的反射损失，太阳能腔式吸热器有效吸收率αcov为

式中：αw为腔体壁面材料对太阳辐射的吸收系数；A1为太阳能腔式吸热器开口面积；Aw为太阳能腔式吸热器内表面积.

将相关参数（αw＝0.65，A1＝0.03，Aw＝0.156）代入式（4）进行计算，有效吸收率为90.6%.采用文中蒙特卡洛射线踪迹法计算的有效吸收率为88.9%，两者误差为1.9%.

3 现场应用

3.1 应用流程设计

油田集输系统主要包括中转站和计量间.中转站的主要设备是加热炉，从加热炉出来的热水分别输送到计量间或者各个油井，热水与油井产出液混合后提高混合物的温度，然后输送到中转站.经过油水分离器分离后的冷水经过净化后被重新输入到加热炉进行加热，以实现循环利用.采用碟式太阳能系统替代传统的加热炉，碟式太阳能系统在油田集输工艺利用流程见图4.

3.2 油田腔式吸热器设计

设计一种新型太阳能吸热器，结构见图5.吸热器的形状为圆柱形，水平放置，中间是介质水，低温水从上部中间处垂向进入，高温水从下部中间垂向流出.其结构参数：高度为260mm，腔内径200mm，外径为280mm，入口水温度为30℃.

3.3 腔式吸热器出口水温计算

根据热流密度模拟结果，对吸热器的出口水温进行计算.假设入口水温为30℃，出口水温为t，考虑油田运行工况，需要保证太阳能腔式吸热器出口温度在50℃～90℃之间.

太阳能腔式吸热器的热损失包括腔内空气的对流和辐射损失，以及由安装引起的腔体外部绝热材料的导热损失.辐射损失取决于腔体的壁面温度、形状因素和吸热器壁面的发射率／吸收率，导热损失取决于吸热器温度和绝热材料.辐射和导热损失与腔体的倾斜度无关.对流热损失取决于腔内空气温度、腔体的倾斜度及外部的风条件，计算条件最为复杂.根据文献［18］计算模型，对流热损失占吸热器总吸收热量的10%，因此对流热损失在数值模拟时可以取为总吸热量的10%.根据文献［19］研究结果，导热损失占总损失的2%以下，通常可以忽略.当太阳能腔式吸热器的开口处采用石英玻璃进行光学遮挡，辐射热损失也可以忽略.在数值模拟结果中，可以通过拟合曲线求解新型太阳能腔式吸热器总吸热量为13.045kW.油田需要单井掺水为0.5m3／h，由能量守恒方程解温差为Δt＝20.2℃，经过太阳能腔式吸热器加热后出口水温为t＝50.2℃，能够满足油田需要.

4 结论

（1）建立多太阳能腔式吸热器的物理模型和数学模型，编写基于蒙特卡洛射线踪迹法的数值模拟程序；对圆柱形腔式吸热器热流分布规律进行数值模拟，热流密度最大峰值出现在高度方向130mm处，系统的实际聚光比为200.

（2）给出油田利用多碟聚光太阳能系统流程，设计一种新型油田太阳能腔式吸热器，高度为260mm，腔内径为200mm，外径为280mm.

（3）吸热器出口水温达到50.2℃，能够满足油田工程需要，表明油田利用太阳能聚光系统的可行性，为油田产业化和规模化推广太阳能提供借鉴.

［1］王宝辉，苑丹丹，吴红军，等.太阳能驱动高温熔融碳酸盐电解电势的理论分析［J］.东北石油大学学报，2010，34（5）：92-95.Wang Baohui，Yuan Dandan，Wu Hongjun，et al.Theoretical analysis of electrodeposition potentials of molten carbonates driven by solar energy［J］.Journal of Northeast Petroleum University，2010，34（5）：92-95.

［2］汪全林，柴世超，程自力，等.基于两相流低渗油藏合理注采井距确定方法［J］.东北石油大学学报，2012，36（4）：45-48.Wang Quanlin，Chai Shichao，Cheng Zili，et al.Determination of reasonable well spacing in low permeability reservoir based on two phase flow ［J］.Journal of Northeast Petroleum University，2012，36（4）：45-48.

［3］Henden L，Rekstad J，Meir M.Thermal performance of combined solar systems with different collector efficiencies［J］.Solar Energy，2002，27（4）：299-305.

［4］Janjai S，Pankaew P，Laksanaboonsong J.A model for calculating hourly global solar radiation from satellite data in the tropics［J］.Applied Energy，2009，86（9）：1450-1457.

［5］Yao Z H，Wang Z F，Lu Z W，et al.Modeling and simulation of the pioneer 1MW solar thermal central receiver system in China［J］.Renewable Energy，2009，34（11）：2437-2446.

［6］David B，Ruxandra V，Pieter S.Innovation in concentrated solar power［J］.Solar energy material and solar cells，2011，95（10）：2703-2725.

［7］Su Y，Chan L C，Shu L J，et al.Real-time prediction models for output power and efficiency of grid-connected solar photovoltaic system ［J］.Applied Energy，2012，93：319-326.

［8］Panwar N L，Kaushik S C，Kothari S.Experimental investigation of energy and exergy efficiencies of domestic size parabolic dish solar cooker［J］.Renewable Sustainable Energy，2012，4：023111.

［9］Reddy K S，Veershetty G.Viability analysis of solar parabolic dish stand-alone power plant［J］.Applied Energy，2013，102：908-922.

［10］刘志刚，张春平，赵耀华，等.一种新型腔式吸热器的设计与实验研究［J］.太阳能学报，2005，26（3）：332-337.Liu Zhigang，Zhang Chunping，Zhao Yaohua，et al.The design and experiments of a new cavity absorber［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2005，26（3）：332-337.

［11］方嘉宾，魏进家，董训伟，等.腔式太阳能吸热器热性能的模拟计算［J］.工程热物理学报，2009，30（3）：429-432.Fang Jiabin，Wei Jinjia，Dong Xunwei，et al.Performance simulation of solar cavity receiver［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2009，30（3）：429-432.

［12］杜胜华，夏新林，唐尧.太阳光不平行度对太阳能聚集性能影响的数值研究［J］.太阳能学报，2006，27（4）：388-393.Du Shenghua，Xia Xinlin，Tang Yao.Numerical investigation on effects of non-parallelism of solar rays on concentrating solar power［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2006，27（4）：388-393.

［13］王志峰，Sun Hongwei.全玻璃真空管空气集热器管内流动与换热的数值模拟［J］.太阳能学报，2001，22（1）：35-39.Wang Zhifeng，Sun Hongwei.A numerical simulation on heat transfer and fluid flow in a glass tube of all-glass evaculated tubular solar air heater［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2001，22（1）：35-39.

［14］李铁，张璟，唐大伟.太阳能斯特林机用新型吸热器的设计与模拟［J］.工程热物理学报，2010，31（3）：451-453.Li Tie，Zhang Jing，Tang Dawei.The design and simulation about a new type heat receiver on solar stirling engines［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2010，31（3）：451-453.

［15］熊亚选，吴玉庭，马重芳，等.槽式太阳能集热管传热损失性能的数值研究［J］.中国科学：技术科学，2010，40（3）：263-271.Xiong Yaxuan，Wu Yuting，Ma Chongfang，et al.Numerical investigation of thermal performance of heat loss of parabolic trough receiver［J］.Science China：Technological Science，2010，40（3）：263-271.

［16］Shuai Y，Xia X L，Tan H P.Radiation performance of dish solar concentrator／cavity receiver systems［J］.Solar Energy，2008，82（1）：13-21.

［17］Umrov I，Fattakhov A，Umarov A，et al.Heat loss in a cavity-type solar collector［J］.Applied Solar Energy，1983，19：35-38.

［18］Sendhil Kumar N，Reddy K S.Comparison of receivers for solar dish collector system ［J］.Energy Conversion and Management，2008，49：812-819.

［19］Li Xin，Kong Weiqiang，Wang Zhifeng，et al.Thermal model and thermodynamic performance of molten salt cavity receiver［J］.Renewable Energy，2010，35：981-988.