槽式太阳能集热器设计研究

鲁红光 马禄彬 杨晓军

摘要：指出了槽式太阳能热发电技术核心在于通过聚光集热器将太阳能转换为热能将水加热成过热蒸汽。从聚光集热着手，分析了槽形抛物面的光孔面上直射辐照度的计算方法，对集热器的有用能量收益及热损进行了研究，为槽式太阳能集热器设计提供了依据。

关键词：太阳能;太阳能辐射;聚光集热器;换热器

中图分类号：TK513 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）18-0196-02

1引言

太阳能的特点是能量密度较低，为了获取较高的集热温度，就必须通过聚光集热来实现，而槽式太阳能集热器由于在较高的温度下仍能保持较高的集热效率，引起了人们的重视，并在工业上得到了广泛的应用。高温蒸汽可用于发电，而低温蒸汽可用于工业应用、医疗卫生和海水淡化。通过槽式太阳能聚光集热系统产生蒸汽通常有两种方法：①直接产生蒸汽的DSG系统。②传热流体在集热器内循环加热，在换热器中将水加热成高温蒸汽的双回路系统。

这些方法各有优缺点。在DSG系统中，少了换热系统，降低了成本，当沸腾发生时压降降低，从而降低了电力消耗。此外，潜热传递过程将整个太阳能集热器的温升降至最低，从而降低了热应力，但稳定性较差，主要是接收管沸腾段周向温差大，会产生较大的温差应力。为了克服DSG系统的缺点，采用传热流体循环的系统，通过换热器产生蒸汽，这种方法是太阳能蒸汽发电系统中最主要的方法。传热流体系统压力低，控制简单，然而，传热流体大多数是易燃的，且相对昂贵，还存在污染问题。此外，由于水的传热特性比传热流体好得多，与使用DSG系统相比，需要更高的流速、更高的传热温差和更大的泵功率才能获得等效的能量输送量。更高的接收管温度对于实现经济有效的热交换也是必要的，这会导致集热器效率降低。

通过对槽式太阳能聚光集热系统进行分析研究表明，投射在集热器上的太阳总辐射中仅有48.6%的太阳辐射能量用于蒸汽发电，其余能量以不同的形式流失：①集热损失（41.5%）、②散热损失（6.9%）和③由于将水从环境温度提高到100℃消耗的能量（2.2%）和支架散热（0.5%）而造成的能源损失。

2太阳能蒸汽产生模型

2.1槽式太阳能聚光集热系统PTC

PTC的基本元件包括①位于聚光器焦线上的金属接收管，②同心玻璃罩管，③抛物面聚光器。PTC是将太阳直接辐射反射到金属接收管，加热接收管中传热流体。在所有太阳能集热技术中，PTC被认为是高性能太阳能聚光集热系統，可以提供高达400℃的高温。接收管通常是一根金属管，包裹在玻璃罩管中，夹层抽真空，以最大限度地减少散热损失。在金属管表面涂上选择性吸收涂层，以增强吸收和降低发射率。槽型抛物面反光镜根据其采光方式分为东西向放置、南北向放置。采用单轴跟踪，跟踪方式根据控制类型可分为光敏定日、公式定日、混合控制，其中混合控制跟踪精度最高。

2.2太阳辐射计算

首先要确定投射到聚光器上的太阳能总辐射，在选择合适的跟踪系统时，选址、应用季节、电站运行情况是需要考虑的关键因素。为了计算投射到聚光器上的太阳能总辐射，定义以下几个角度。

（1）地理纬度ψ：赤道以北为正，以南为负，-90°≤ψ≤90°;

（2）太阳赤纬δ：是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角，赤纬角的日变化可用下式近似计算为：

在4种模式中，模式3南北水平布置单轴跟踪为目前最常用的模式。

2.3PTC的热性能分析

图1为聚光集热物理模型和热网，为分析方便，假设如下：集热管温度Tp和玻璃罩管温度Tg在横截面上均匀;在玻璃罩管与接收管之间为真空，其间对流换热忽略不计;玻璃罩管与抛物线型反射镜面间的对流与辐射换热为O;金属接收管导热系数大，管壁热阻忽略不计。

依据热平衡原理，建立集热器瞬时能量平衡方程，求得集热器的有用能量收益Qu（w）为：

3结语

本文通过对槽式太阳能聚光集热系统进行分析，采用传热流体与水、蒸汽双回路系统目前更适合太阳能热发电系统，在集热器的布置上，采用南北向水平布置单轴跟踪，跟踪控制采用光敏定日和公式定日相结合的混合控制，使控制跟踪精度更高。在对集热器入射角的计算上引进了国外经验公式，使四种布置的槽形抛物面的光孔面上直射辐照度计算更加方便。通过建立聚光集热物理模型和热网，利用经验公式计算集热管热损失，从而得出集热器的有用能量收益，为槽式太阳能集热器设计提供了依据。