纳米流体在低倍率聚光中的集热性能分析

蒋瑜毅

(华能国际长兴发电厂,浙江 湖州 313000)

太阳能利用可分为光伏利用与光热利用两种，其中太阳能热利用是可再生能源利用的重要途径之一，在太阳能热利用里面，核心技术是如何把太阳的辐射能转变成热能[1]。在最近几年，随着纳米技术的不断探索发展和在相关应用领域的不断探究，纳米技术在导热、对流换热、热辐射等方面的应用越来越广泛。本文将试验所制得的纳米流体作为低倍率聚光试验台的集热工质，对其集热性能进行试验与分析[2]。

1 试验台简介

本试验搭建了一套以纳米流体为循环集热工质的聚焦直接吸收式太阳集热系统。通过菲涅耳透镜进行聚光，使得工质出口温度达到中温水平。该系统装置连接原理图如图1所示。连接流程为：水箱——水泵——流量计——真空集热管(热电偶)——换热器——水箱。

图1 系统装置原理图

由入射光自动跟踪装置同时对太阳的高度角和方位角进行定位转动，使菲涅尔透镜始终保持对太阳光线的垂直。太阳辐射经菲涅尔透镜聚焦后，集中投射到玻璃管中部，使集热管充分接收太阳辐射能量。采用循环水泵将系统内的工质持续循环，经过水泵之后分别经过流量控制器进入集热真空管。纳米流体按一定的速率在集热管内流动，工质从玻璃管进口到出口的流动过程中，不断吸收太阳辐射以及与集热管内壁间的对流换热而升温。纳米流体从集热管流出后继而进入散热器将热量传递到循环冷却水中，从而使集热器的进口温度始终维持在初始环境温度。整个系统由集热器、双轴跟踪系统、水泵、阀门、散热器和流量计构成。本试验系统的示意图如图2所示。

图2 集热器试验系统示意图

2 户外试验

试验测量在户外进行，测试地点为上海，时间为5月中旬。试验当日天气晴朗，风速为2～3 m/s，环境气温27℃左右。热电偶最大校正偏差为±0.2℃，试验所用流量计精度为0.2级。试验时，选择场地空旷的地区，以免高楼建筑的阴影对试验产生影响。由于存在风速的对流换热影响，故而在试验时人为设置建设屏障，减小此干扰因素。

图3所示为集热器出口的瞬时温度试验时，通过散热器将进口温度保持在27℃～27.3℃。图4为该段时间内太阳辐照强度曲线。

图3 集热器出口温度

图4 太阳辐照强度

5月正是初夏，太阳照射强度不稳定，中间出现小段较大波动。在800～1 600 s，太阳辐照强度达到最顶峰，而三种纳米流体的温度也都急速上升，TiN-EG上升速率最快。而之后的1 600～2 000 s太阳辐照强度明显减弱，而TiN-EG、C-EG两种纳米流体的温度也出现明显的下降趋势，并在下降到一定温度后才开始缓慢上升，TiN-H2O则是因为远没到达最高温度值而能够保持持续上升状态，但是同样上升趋势明显减缓。本次试验太阳辐照强度始终在450～700 W/m2之间浮动，就光照强度而言并不理想。由于太阳辐射仪所测得的太阳辐照强度是全辐射强度，而本文试验器材所用的菲涅尔透镜采用的是一定角度的入射辐射，那么试验实际太阳辐照强度应略低于测得的数值，由此看来实际的太阳辐照强度是低于700 W的。观察两图的曲线波动情况可以看出，纳米流体所能达到的温度是由太阳辐照强度决定的，当太阳强度过低时，会对试验的集热管的工作产生较大的影响。

纳米流体在太阳的辐射下温度开始升温，集热器的出口温度开始持续升高，在经历为期一小时的试验后，TiN-EG、C-EG、TiN-H2O三组纳米流体都先后达到最高温度，并将温度维持在较小波动范围内。试验过程中，当各纳米流体达到相应最高峰后，光照强度不同时，纳米流体能达到的最高温度也不同，所得的集热效率也不同。集热器流速不宜过高，过高的流速会导致集热工质在集热管中流动时，尚未达到最高温就已经到达出口。故而应多次试验，选择合适的流速，即集热工质流量。

考虑到纳米流体流速会对试验结果产生较大影响，故而试验采用循环加热的方法对纳米流体进行测试。纳米流体在试验系统中被循环加热，温度也持续上升。将纳米流体的流速从1 L/h缓慢上升至5 L/h。观察出口温度变化后，再选择合适的工质流速。试验结果可知，当纳米流体流速维持在1 L/h至4 L/h之内皆可使纳米流体在通过集热管的一段时间内将温度提升至最高，为便于计算，试验将工质流速调至0.000 05 m3/s。

从图3中可以看出，TiN-EG最先达到最高温度43.2℃，且用时最短27 min。而CEG和TiN-H2O上升都相对较为缓慢，直到50 min时才达到最高温度，分别为39.5℃、36.7℃。TiN-EG、CEG、TiN-H2O三组纳米流体的最大温差分别为16℃ 、12.3℃ 、9.6℃。由此可见，TiN-EG的温升最高，TiN-H2O的温升最低，但这受到各纳米流体的比热容影响很大，TiN-EG的比热容最小，而TiN-H2O的比热容最大。而三种纳米流体的集热量应当是各自的吸热量，而不能用温度来表示。所以要比较三者的集热效率就必须进一步计算。

试验过程中，集热流体单位时间内的吸热量Qi[3]可计算为

(1)

式中mn——纳米流体的质量流量；cn——纳米流体的比热容；dT——单位时间内的集热管进出口温差。

聚光工况下集热器的瞬时集热效率ηi，可以由流体获得的热量与接收到的太阳辐射能之比来表示。试验中，单位时间内太阳的瞬时辐射量可计算为

(2)

式中A——聚光器开口采光面积；G——太阳辐照度；V——太阳辐照仪测量所得电压参数；ε——太阳辐照仪灵敏度。

考虑到跟踪误差、阴影遮挡、镜面与集热管污渍等各种影响因素的存在，引入聚光器光学总效率ηr加以修正，瞬时效率可计算为

(3)

式中ηi——集热器的瞬时集热效率；ηr——聚光器光学总效率。

聚光器光学总效率：

ηr=Trec·Tfre·Tw

(4)

式中Trec——集热管透光率；Tfre——光学透光性；Tw——集热器总污染系数。

以三种纳米流体作集热工质时的集热器瞬时功率如图5所示。

图5 集热器瞬时效率

由图5可知，TiN-EG、C-EG、TiN-H2O三种纳米流体的最大瞬时功率分别为83.6%、71.2%、69.56%。平均集热效率为一定时间段内纳米流体获得的总热量与接收到的太阳总辐射能之比。且经计算，试验最后10 min内，在TiN-EG、C-EG、TiN-H2O三种纳米流体都已经维持在最高温度，且波动较小，此时平均集热效率分别为70.8%、59.2%、57.7%。

由于太阳辐射仪所测得的太阳辐照强度是全辐射强度，而本文试验器材所用的菲涅尔透镜是一定角度的入射辐射。则试验实际太阳辐照强度应略低于测得的数值，故而计算所得的集热器效率会略小于实际值。

3 热损失分析

太阳辐射被透明真空管内的纳米流体吸收后，集热器内的温度便会高于外界环境温度，集热器的内管壁会通过辐射将热量传递到外层玻璃管的内壁Q1，同时由于内外玻璃管之间难以保持绝对真空而产生热传导Q2，而后热量通过外管壁以辐射和对流的方式散热到外部环境中，这两种散热损失分别为Q3，Q4，如图6所示。而聚光器光学总效率ηr也受到这四种散热损失所影响[4]。当集热器玻璃管内的纳米流体温度不断上升时，散热损失也随之上升，则聚光器光学总效率ηr也会随之下降。

图6 纳米流体在集热管中吸热与散热原理图

现假设纳米流体接收太阳辐射并转化为热量Q0计算公式为[5]

Q0=αTgG

(5)

式中α——纳米流体对太阳光的总吸收率；Tg——双层玻璃管的透过率；Tg=0.86；G——太阳总辐射强度。

集热器的内管外壁会通过辐射将热量传递到外层玻璃管的内壁从而形成热损失，内、外玻璃管之间的单位管长的辐射散热损失Q1计算公式为

(6)

式中σ——波尔兹曼常数；σ=5.67×10-8W/(m2·K4)；Tw1，Tw2——内外玻璃管壁温；d1，d2——内外玻璃管直径；d1=0.01 m，d2=0.02 m；ε1，ε2——内外玻璃管发射率；ε1，ε2取0.9。

非理想试验下，本试验中内外层玻璃管间实际必然会有微量空气存在，内外管之间的非真空导热损失Q2也必然存在。但此散热损失相较于内外玻璃管之间的辐射散热损失而言非常小，故而在实际试验计算推导中可以忽略不计。

外层玻璃管对环境的辐射散热损失Q3的计算公式为

(7)

由于外界环境具有一定的空气流动，即户外试验时的空气中的风速对试验存在扰动，外管壁与环境中空气的对流散热损失Q4计算公式为

Q4=hfπd2(T2-Ta)

(8)

(9)

式中Vw——外界风速；Va——空气运动粘度；Ta——外界温度。

本试验中，为减少外管壁与环境中空气的对流散热损失Q4，故而在试验时认为设置建设屏障，可将对流散热损失忽略不计。

集热过程的总散热损失QL的计算公式为

QL=Q1+Q2=Q3+Q4

(10)

以集热效率相对最高的TiN-EG为例，纳米流体稳定在最高温后，当其处于最高集热效率点时，将试验数据代入式(10)，可得：

吸热量：Q0=2.59 J

太阳辐射量：QG=4.35 J

内、外玻璃管之间的辐射散热损失：Q1=1.57 J

真空导热损失：Q2=0 J

外层玻璃管对环境辐射散热损失：Q3=1.54 J

对流散热损失：Q4=0 J

总散热损失：QL=1.76 J

计算发现，所得数值存在少量偏差，但基本符合规律。由计算结果可以看出，集热器效率未达100%，主要由散热损失造成，其余热损失应为聚光偏离损失，无法计算。因此，减少散热损失也是提高集热器效率的有效手段。

4 结语

(1)三种不同材料的纳米流体在接受相同光照条件的情况下，虽然温度上升的速率不同，但从上升达到平稳趋势所需要的时间基本相同，在1 600 s左右。

(2)纳米流体所能达到的温度是由太阳辐照强度决定的，故而，当太阳强度过低时，会对试验的集热管的工作产生较大的影响。

(3)相同体积分数和相同光程的情况下，氮化钛—乙二醇相比于氮化钛-水和碳化钛—乙二醇有着更好的吸收特性，所以三者相比而言，氮化钛—乙二醇更适合作为低倍率聚光试验装置的集热工质。

(4)通过热损失计算分析，集热器效率主要受到内、外玻璃管之间的辐射散热损失，真空导热损失，外层玻璃管对环境辐射散热损失，对流散热损失的共同影响，集热器效率未达100%，主要由散热损失造成，其余热损失应为聚光偏离损失，无法计算。所以减少散热损失也是提高集热器效率的有效手段。