线聚焦菲涅耳太阳能集热、蓄热空调系统的仿真模拟

赵晓凯

1. 上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070 2. 上海电气分布式能源科技有限公司 上海 200070

线聚焦菲涅耳太阳能集热、蓄热空调系统的仿真模拟

赵晓凯1，2

1. 上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070 2. 上海电气分布式能源科技有限公司 上海 200070

概述了由线聚焦菲涅耳集热器、单/双效溴化锂吸收式制冷机、高温熔盐蓄热罐，以及其它辅助设备组成的太阳能集热、蓄热空调系统，对菲涅耳集热器的集热性能、单/双效吸收式制冷机的制冷性能，以及整个系统在夏季典型工况下的运行情况进行了模拟与研究。研究结果表明：系统能够根据太阳辐照强度的不同和用户实际的使用需求有针对性地运行，具有较好的灵活性与可靠性，为中温太阳能的热利用提供了参考。

线聚焦菲涅耳集热器； 单/双效溴化锂吸收式制冷机； 太阳能； 仿真

1 课题背景

线聚焦菲涅耳集热器是在槽式集热器[1]的基础上发展而来的一种聚光型集热器，具有集热温度高、系统复杂性小、搭建维护性好等特点，在太阳能发电、制冷等领域应用具有良好的技术经济性。

当前线聚焦菲涅耳太阳能集热器更多着眼于高温发电领域，在中温领域的研究和应用不足。Bermejo[2]等人建立了一个由线聚焦菲涅耳集热器驱动的双效吸收式空调系统，制冷功率为180kW，日平均集热效率为35%，最高集热效率为40%，制冷机日平均能效比约为1.1。此外，Chemisana等[3-4]研究了基于线聚焦的中温太阳能空调系统，所产生的热量供给双效溴化锂吸收式制冷机，并与基于真空管集热器的单效溴化锂吸收式制冷系统进行对比，指出菲涅耳集热式太阳能空调系统的优势与不足。

Pincemin等[5]制备了应用于太阳能热发电温区的膨胀石墨和无机盐复合材料。Adine、Qarnia[6]给出了利用壳管式换热结构进行相变蓄热的系统数值模拟方法，并比较了使用一种相变材料与使用两种不同相变材料的相变换热系统的蓄热性能，同时分析了影响蓄热的关键因素。

基于以上研究背景，笔者设计搭建了由线聚焦菲涅耳集热器驱动的集热、蓄热空调系统，采用最新研发的单/双效溴化锂吸收式制冷机及以三元熔盐[7]为蓄热材料的蓄热罐，通过模拟与试验对系统性能进行了研究。

2 系统组成

太阳能集热、蓄热空调系统位于上海电气集团股份有限公司中央研究院，主要由4部分组成：线聚焦反射式菲涅耳太阳能集热器、单/双效溴化锂吸收式制冷机、熔盐蓄热罐和自动监控系统。此外，系统还包括冷却塔、板式换热器、电加热器、风机盘管与管道，以及其它辅助设备。

2.1 线聚焦菲涅耳太阳能集热器

太阳能集热器选用线聚焦反射式菲涅耳太阳能集热器，原理如图1所示，系统安装及聚光效果如图2所示，设计参数见表1。

图1 线聚焦菲涅耳太阳能集热器原理图

图2 集热器安装及聚光效果

表1 菲涅耳太阳能集热系统设计及运行参数

腔体吸收器具有多种形式，方形腔体吸收器的光学效率仅低于圆弧形腔体吸收器[8]，且具有易于加工和安装的特点。综合考虑，选用方形腔体吸收器作为试验系统的吸收器结构形式，其设计图与实物图如图3所示。

图3 方形腔体吸收器

2.2 单/双效溴化锂吸收式制冷机

溴化锂制冷机选用一台由太阳能驱动的新型单/双效溴化锂吸收式制冷机，其原理与实物如图4所示。

图4 单/双效溴化锂吸收式制冷机

该吸收式制冷机采用热水驱动，在太阳能热源温度较低时以单效模式运行，随着线聚焦菲涅耳太阳能集热器出口工质温度的提高，可以自动切换至双效模式，以提高太阳能的利用效率，在最大程度上提高系统的平均能效比。根据模拟结果，当热水进口温度高于85℃时，制冷机以单效模式运行，额定制冷功率为91kW，此时机组能效比约为0.6；而当制冷机的热水进口温度高于145℃时，制冷机以双效模式工作，额定最大设计制冷功率为134kW，机组能效比可达1.1～1.2。溴化锂制冷机主要性能参数见表2。

表2 溴化锂制冷机设计参数

2.3 高温熔盐蓄热罐

蓄热系统为溴化锂制冷机单效工况运行提供2h 的热源。导热油从熔盐罐中吸热后，通过板式换热器和水进行换热，为制冷机提供热源。制冷功率为91kW，蓄热系统蓄放热效率为80%，板式换热器效率为95%，制冷机单效工况下的能效比为0.6。

蓄热量为：

Qin=91×2×3600/0.6/0.76=1437MJ

放热量为：

Qout=91×2×3600/0.6/0.95=1150MJ

根据熔盐的物性参数，可以得到熔盐的质量：

(1)

式中：T为放热过程中熔盐的显热换热温差，设计值取40K；H为熔盐相变潜热，75.3kJ/kg；Cp为熔盐比热容，1.424kJ/(kg·K)。

蓄热材料密度约为 1978kg/m3，则体积为 4.4m3，考虑10%的余量，熔盐储热罐体积约为4.84m3。综合考虑蓄热材料技术的成熟度、系统成本等因素，储热装置采用管壳式换热器罐体结构，熔盐材料置于圆柱罐体内，管内通过高温导热油来进行蓄放热。蓄热罐实物如图5所示。

图5 蓄热罐实物图

2.4 辅助设备

(1) 板式换热器。圆壳式板式换热器用于导热油和热水之间的热量交换。板式换热器的计算以太阳能直驱供冷模式下的技术参数为主要参考依据，最终确定板式换热器的设计换热功率为145kW；承压水进口温度为150℃，出口温度为140℃，流量为3kg/s；导热油进口温度为 200℃，出口温度为180℃，流量为2.92kg/s ；换热面积为3m2，压降为 0.05MPa。

(2) 电加热器。系统采用一台加热功率为30kW 的电加热器，主要用于夜间谷电价期间对蓄热装置进行蓄热，并且在太阳能不足时作为辅助加热热源对系统进行热量补充。

(3) 膨胀罐。由于整个系统以导热油为加热工质，被加热后会发生体积膨胀，因此需要设计膨胀罐用于满足系统中导热油因受热膨胀而导致的体积增大，保证系统安全。

(4) 储油槽。储油槽主要用于各次注油结束后储存一定的备用油量，同时在排油检修时用于蓄存系统内的油量，避免导热油接触空气发生变质，进而实现导热油的循环使用。

3 系统工作模式

系统原理如图6所示，按照流体工质及功能的不同，可分为两大子系统，两大子系统以板式换热器为界，分别为热源导热油子系统和空调水子系统。热源导热油子系统由菲涅耳集热器、蓄热罐及电加热器组成。空调水子系统由制冷机、冷却塔及相应的末端设备组成。

图6 太阳能集热、蓄热及空调系统原理示意图

系统工作模式如图7所示，热源导热油子系统按照热源驱动和热源蓄能方式的不同，可采用六种运行模式，运行模式之间主要依靠电磁阀来实现自动切换。此外，整个子系统还设有注、排油工作模式，用于进行试验前后的注、排油，这一模式采用手动截止阀开关控制。空调水子系统按照输入制冷机的热水温度分为单效模式和双效模式。

图7 系统工作模式示意图

由上所述，对系统的工作模式做如下说明。

(1) 太阳能直驱模式。在白天日照充足的情况下，集热器吸收的太阳能可直接驱动制冷机运行，熔盐蓄热罐被旁通，集热器吸收的热量通过板式换热器直接传至制冷机。

(2) 太阳能驱动+分流蓄热模式。在白天日照充足的情况下，集热器吸收的太阳能满足直接驱动制冷机所需的热量，且有部分多余热量，此时，连通熔盐蓄热罐，将多余的热量进行存储。

(3) 蓄热直驱模式。系统从早上6：00自动开机，到8：00需要制冷，此时间段的集热量不足以使太阳能集热器的集热温度达到驱动制冷机所需的最低温度。此外，当系统遇到短时阴雨天气时，太阳能集热器也会无法工作。出现上述情况时，在熔盐蓄热罐内蓄有足够热量的条件下，系统开启蓄热直驱模式，此时，太阳能集热循环被旁通，由蓄热罐内熔盐放热提供系统所需热量。

(4) 太阳能+蓄热驱动模式。太阳能集热器在中午的集热量最大，在下午则随着辐照度的减小和集热器热损的增大，集热温度和集热量逐渐下降，与此同时，由于室内负荷的延迟性，一般在下午时段仍然有较高的负荷，因此，当集热器的集热量不足时，开启蓄热环路，对输入制冷机的热量进行补充。

(5) 夜间蓄热模式。在晚间10：00至第二天凌晨的时间段内，可充分利用峰谷电的电价优惠政策，采用电加热对蓄热罐进行蓄热。

(6) 太阳能蓄热模式。当白天日照充足，且空调水子系统无需开机工作时，太阳能集热器所吸收的太阳能将直接供给蓄热熔盐罐，以达到蓄热的目的。

4 理论分析

在本次模拟中，采用稳态模型对系统的相关参数进行计算，针对模型中的主要模型部件做以下假设。

(1) 对于集热器而言，除集热器热损外，不计各连接管道间的损失，并忽略集热器腔体壁、管壁的热容。

(2) 对于制冷机而言，认为高压发生器、低压发生器及吸收器的出口溶液处于饱和状态，冷凝器出口冷剂水与蒸发器的出口冷剂蒸汽处于饱和状态，且发生器内无热量损失，蒸发器内无冷量损失。

(3) 不计工质在流动管道中的热量和压力损失。

(4) 不计各温度、压力传感器在测量过程中的测量误差。

4.1 集热器光学性能

计算菲涅耳太阳能集热器的光学性能时，首先由文献[9]计算得到太阳的高度角αs和方位角γs。参考杜春旭等[10]对于东西放置南北跟踪的菲涅耳太阳能聚光系统跟踪倾角的研究，计算得到适用于本系统的镜面倾角β，以及光线的入射角θ。在已知纯光学效率η0[11]的前提下，考虑由集热器结构决定的余弦效率ηy、截断效率ηr及阴影遮挡效率(经分析，阴影遮挡效率在0.95以上，故可忽略不计)，得到系统的总光学效率：

ηopt=η0ηyηr

(2)

4.2 集热器集热性能

对于集热器而言，吸收热量的地方为腔体吸收器，其部件性能参数见表3。集热器吸收的热量等于投射到吸收器表面的热量与吸收器自身的热量损失之差，故根据能量平衡方程有：

Q=moCp1(T0-Ti)=AcIbηopt-Qloss

(3)

式中：mo为导热油流量，kg/s；Cp1为导热油比热容，J/(kg·K)；Qloss为腔体吸收器的热损失，W；Ac为聚光器的有效聚光面积，m2；Ib为直射辐射辐照度，W/m2；Ti为集热器进口工质温度，K;T0为集热出口工质温度，K。

表3 腔体吸收器部件性能参数

腔体吸收器的热量损失主要有辐射、对流及传热三部分，结合吸收器的热量损失，吸收器得到的热能可以表示为：

Q=η0AcIb-Aa[εaσ(Ts4-Tenv4)+

(4)

式中：h为腔体开口处自然对流换热系数，W/(m2· K)；λ为保温材料的导热系数，W/(m·K)；L为保温材料的有效厚度，m；σ为斯特藩-玻耳兹曼常量，5.67×10-8Wm2/K4；εa为吸收器表面发射率；Aa为腔体吸收器的开口面积，m2；Ae为吸收面有效导热面积，m2；Tenv为环境温度，K；Ts为腔体吸收器表面温度，K。

腔体吸收器的表面温度由式(5)得到：

(5)

对于成像聚光系统而言，热损可认为与吸收器和环境温差成正比[12]，因此集热器热损可表示为：

Qloss=ULAa(Ts-Tenv)

(6)

式中：UL为热损系数，W/(m2·K)。

根据式(4)和式(6)，可以得到腔体吸收器热损系数的表达式：

(7)

由式(4)可知，热损系数是与辐射、对流、导热有关的函数，式中h是与材料物性及吸收器表面的空气流动状态相关的量，对于仿真模拟过程而言是未知量，且式中的腔体表面温度Ts是无法得知的。因此，一般只能通过试验测量和计算得到热损与吸收器进口工质温度的关系，进而在模拟计算中使用热损系数UL。

通过测量集热器的进出口工质温度Ti、To，可得腔体吸收的热量Q，进而由式(3)得到腔体热量损失Qloss，由式(6)得到吸收器腔体热损系数UL。经过试验测量，利用最小二乘法进行数据拟合，得到集热器热损系数与工质进口温度的相对关系式：

UL=5.311e0.0117Ti

(8)

集热器的集热效率可以表示为在稳态或准稳态条件下，集热器工质在某时刻有效能量收益与同一时刻聚光器有效面积接收到的太阳辐照量之比，即：

(9)

相应的，腔体吸收器的吸热效率定义为腔体吸收的热量与投射到腔体表面的总热量之比：

(10)

根据吸收器的能量平衡方程，由式(4)、式(7)可以得到：

m0Cp1(T0-Ti)=ηoptIbAc-ULAa(Ts-Tenv)

(11)

则：

(12)

将出口温度To代入式(9)、式(10)，得到相应的集热器集热效率和腔体吸收器的吸热效率。

太阳能集热器的瞬时集热效率可以由系统的归一化温差来进行评判，利用传热介质的平均温度，归一化温差表示为：

(13)

5 模拟结果与分析

夏季典型工况下的全天运行模拟情况如图8～图10所示。从早上开始，由于集热工质初温低、太阳辐照度小，因此集热温度较低，无法驱动制冷机运行，在此情况下由蓄热罐驱动制冷机，以单效模式运行。随着时间的推移，集热工质温度升高，当蓄热罐运行约2h后，集热器内的工质温度达到可以驱动制冷机的程度(即85℃以上)，此时，由太阳能集热器驱动制冷机运行。随着温度的进一步升高，运行模式由单效变为双效。在中午时段，可维持2～3h的双效制冷模式，在此时段，当热水温度高于150℃时，可同时开启蓄热模块，将多余热量蓄存。进入下午时段，集热器集热量减小、集热温度降低，制冷机转为单效模式。运行至下午5：00以后，集热温度低于驱动制冷机的最低温度，此时检测熔盐罐内熔盐的均温，启动蓄热罐放热模式，系统在两者的结合模式下运行。

图8 制冷机热水进出口温度变化曲线

图9 制冷机能效比变化曲线

图10 制冷机冷冻水温度变化曲线

6 结论

仿真了由线聚焦菲涅耳太阳能驱动的集热、蓄热空调系统，对系统的能量利用进行了理论分析，对系统的运行模式进行建模，并以MATLAB软件为计算平台进行了模拟计算，得到以下结论。

(1) 模拟了系统在夏季典型工况下运行的全天集热温度，经过板式换热器热交换，得到的热水最高温度约160℃，全天平均集热温度约120℃，热水温度能够满足驱动单/双效制冷机的要求。

(2) 得到了制冷机在输入热水温度变化条件下的运行情况，单效模式下能效比约0.6，冷冻水出口温度为8.4℃。当热水温度高于145℃时，在双效模式下运行，能效比能够达到1.2，冷冻水出口温度为7℃。

(3) 通过模拟与试验确认，由太阳能驱动的空调系统在节约能源的基础上，较好地做到了为建筑物等提供冷量。在夏季典型工况下，全天有2～3h 以双效模式运行，制冷效率高，其余时间以单效模式运行。在原有系统的基础上增加蓄热模块之后，对系统的运行起到了平衡的作用，提高了系统运行的灵活性和可靠性。

(4) 由模拟与试验对比验证了系统模拟的正确性，而准确性有待提高，其原因在于模拟的过程中，对管道中各种压力及热量损失均忽略不计、实际的气象参数与模拟数值具有一定的差异、温度测量过程中存在误差等。对于模拟中的精确性差异，可视今后的运行情况进行适当修正。

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Provided a general description of heat collection with solar energy and thermal storage air conditioning system that is composed of Fresnel collectors with line focusing， single/double-effect lithiumbromide-absorption refrigerating machine, high-temperature molten salt heat storage tank and other auxiliary equipment. The heat collection performances of Fresnel collector，cooling performance of single/double-effect absorption refrigerating machine and the operating condition of the overall system under ideal conditions in summer were simulated and investigated. Studies have shown that：The system can run in accordance with different intensity of solar irradiation and users demand in practical use with sound flexibility and reliability and can provide a reference for medium-temperature heat utilization of solar energy.

Fresnel Heat Collector with Line Focusing； Single/double-effect Lithiumbromide-absorption Refrigerating Machine； Solar Power； Simulation

2016年5月

赵晓凯(1990— )，男，硕士，助理工程师，主要从事微网设计及规划工作， E-mail: zhaoxk@shanghai-electric.com

TM615；TP271

A

1674-540X(2016)04-036-07