基于腔体吸收器的太阳能槽式产生蒸汽系统特性研究-洪永瑞.pdf

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1、第37卷第6期2016年6月太阳能学报ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAV0137No6Jun，2016文章编号：02540096(2016)06145308基于腔体吸收器的太阳能槽式产生蒸汽系统特性研究洪永瑞1，李明1,2，陈飞2，罗 熙2，常伟1，张少波1(1云南师范大学物理与电子信息学院，昆明650092；2云南师范大学太阳能研究所，昆明650092)摘要：设计一种v型腔体式吸收器并将其应用在槽式太阳能集热器上用来产生中高温蒸汽。针对不同天气情况，对该系统产生蒸汽的效率进行实验研究和理论分析。结果表明晴朗天气条件下其系统效率为4554，平均瞬时效率为5120；多云天

2、气条件下系统效率为3225，平均瞬时效率为4897。太阳能吸收器的热损失极大程度上决定着槽式蒸汽系统的热性能。分析v型腔体吸收器的热损，建立热损理论模型，理论计算结果与实验结果比较吻合，吸收器的主要热损来自辐射和对流热损。研究结果表明在015 MPa范围内v型腔体吸收器具有低热损和高效率。关键词：槽式太阳能集热器；腔体吸收器；直接产生蒸汽；效率；热损失中图分类号：TK5133 文献标识码：AO 引 言节能减排是当前也是未来经济发展的主要目标。满足社会发展能源需求最有效的办法是更有效地利用能源。传统工业多以化石燃料作为热源，导致排放大量的温室气体如CO：、SO：以及其它有害物质。而太阳能是一种环

3、保的可持续的能源，在可再生能源应用领域中潜力最大。尽管太阳能利用技术在蓬勃发展，但其竞争力仍不如传统的化石燃料乜1。提高太阳能利用效率和降低系统成本是改变这一现象的重要手段。抛物槽式聚光技术是目前比较先进的太阳能高温热利用技术之一。31。水的粘稠度低，比热容和导热率高，且直接产生蒸汽淘汰了导热油和热交换机，可显著降低系统成本，直接产生蒸汽是一个很好的选择45，故应用抛物槽式集热器来直接产生蒸汽是非常有前景的太阳能集热技术。目前已知直接产生蒸汽系统中的水的温度可达到550 oC【4。而工业蒸汽温度要求一般在100400，其中100200 oC的蒸汽又在工业应用中占据着主要地位2。美国加洲的SEG

4、S(solarelectric generating system)太阳能热电站和欧洲的DISS(direct solar steam)工程都证明了直接产生蒸汽的商业可行性。影响抛物面槽式集热器(PTC)系统效率的另一个重要因素是吸收器。目前在槽式直接产生蒸汽系统中，国内外采用的吸收器多为真空管，但是真空管吸收器对工艺要求高，造价昂贵，玻璃管易破碎，易漏气81。针对此情况许多研究人员先后设计了不同结构的腔体吸收器，并对其进行了相应的理论与实验研究9一川。但是目前尚未见到将腔体吸收器应用于直接产生蒸汽的公开报告。本文建立一种线聚焦V型开口腔体吸收器，用于产生中高温蒸汽，并对该系统的效率和传热性能

5、进行实验研究。1 实验设置本文采用的吸收器为V型腔体吸收器，其具体结构如图1所示，吸收器由一个开口圆筒和两个夹角为60。的吸热板组成。两块吸热板所构成的半封闭空间具有良好的光学效应，人射光会在内部多次反射，即减少光线的反射损失。在两块吸热板上设计了3个翅片，其中长翅片又将流体通道一分为二。这样的设计加大了流道内的雷诺数在对流换收稿日期：20140525基金项目：国家自然科学基金云南联合基金重点项目(U1137605)；国家国际科技合作项目(2011DFA60460)通信作者：李明(1964一)，男，博士、教授，主要从事太阳能利用方面的研究。lmllldy126com万方数据太 阳 能 学 报

6、37卷热的方面增强了换热。在腔体吸收器的开口圆筒外裹有一层硅酸铝保温材料。保温层外裹有一层不锈钢材质的保护层，以减弱外界因素对保温层的影响。v型腔体吸收器的规格列于表1。IR卷罔图I JI!腔体吸收器Fig1 Photo and schematic diagram of the V-shapedcavity absorber表1 V型腔体吸收器规格Table 1 V-shaped cavity absorber specification名称 规格材料腔体吸收器长度lm吸热板厚度8mm吸热板夹角引(o)吸收器开口宽度wcm吸收器内径rmm杜拉铝10160743集热系统的研究工作在面积30 m2

7、，长度为10 m，焦距为12 m，南北放置，东西跟踪的槽式抛物面太阳能集热器系统上进行，图2是太阳能槽式直接产生蒸汽系统结构示意图。本系统存在一个预热过程，即首先要将水箱中的水经过多次循环加热。当水温达到90时，经过槽式集热器的再加热，腔体吸收器内将产生蒸汽。这时腔体和管道中存在水和蒸汽二相。经过汽水分离器的分离，蒸汽和水分离，水循环回到给水箱，而蒸汽可以被利用。图2直接蒸汽产生系统示意幽Fig2 Direct steam generation system diagram测试中应用的温度探头为四线制Ptl00热电阻，其精度为01 oC。测试前后均用标准温度计测试校准了温度探头。测试用的4个温

8、度探头被分别安置在腔体的进口、腔体的出口、蒸汽的出口以及给水箱中。温度探头被连接到太阳能测试系统数据记录仪。该记录仪同时记录辐照度以及风速风向。记录仪连接着一台电脑，最终记录数据被传输到电脑中。2热平衡分析流过腔体吸收器的水水蒸气吸收的净热量为“：Q。=腕(矗。一h。) (1)式中，琬流过腔体吸收器的工质质量流量，kgs；hh。流人、流出腔体吸收器的水水蒸气的比焓，kJkg，在不同的气压和温度下hh。的值不同。整个系统抛物面上接收的太阳辐射能为：Q。=A。G (2)式中，A。集热器的有效面积，m2；G太阳直射辐照度，Wm2。集热器的热效率：田=罟联立式(1)、式(2)可得：叩= 叩2。r广 L

9、j J腔体吸收器内部的水存在两种受热形式。在只存在单相液态水或者气态蒸汽时可直接利用式(3)计算吸收器的热效率。但是本系统在工作时，吸收器入口进入的工质为未沸腾的热水，而出口流出的为气液二相流体。故必须对液态水和蒸汽的受热万方数据6期 洪永瑞等：基于腔体吸收器的太阳能槽式产生蒸汽系统特性研究 1455分离分析，且随着辐照度的变化，吸收器内部蒸汽产量随之变化，将导致内部压强不断波动。另外水的比焓值是与压强相关联的。应用式(3)计算热效率将十分不便。水在一定压强范围内可视作不可压缩流体，即其定压比热容可视为一定值，故可将式(3)变形为 77：生氅掣(4)田=了丁一 L斗，1一L，式中琬。水的质量流

10、量，kgs；rh。蒸汽的质量流量，kgs；c。水的定压比热容，kJ(kg。K)；Z。、疋。水的进口、出LI温度，K；y水的汽化潜热，kJkg。在本次实验中腔体吸收器槽式集热系统产生蒸汽的气压为008015 Mpa，不存在过热蒸汽。3结果与讨论31 V型腔体吸收器的热效率天气状况的变化对太阳能系统效率有重大影响。故分析两个代表性的天气：晴朗天气和多云天气的系统的效率变化，这两天的直射辐照情况见图3。试验段内晴朗天气的平均直射辐照度为784 Wm2，多云天气的平均直射辐照度为448 Wm2。在本文中只计算系统产生蒸汽时的热效率，只存在单相水时的系统效率未纳入计算。经计算得出晴朗天气系统效率为455

11、4，平均瞬时效率为5120；多云天气系统效率为3225，平均瞬时效率为4897。表2给出了不同辐照度和风速条件下的效率值。3 Fi：射甜，1照度HFig3 Direct irradiance diagram表2不同辐照度和风速条件下的效率值Table 2 Efficiency values under different irradiance and wind speed注：“+丰表不晴天风速多石风速；“一”表不无相关数据。分析图4中晴朗天气直射辐照度与效率的关系可发现：系统的瞬时效率先是逐步上升并达到一个最大值，之后有所下降。而在实验测量中发现蒸汽产量先是随着辐照度的增大而大幅度上升，但是之

12、后增加幅度有所下降，并逐渐平缓下来，最终几乎不再增加，如图5所示。上述辐照度与效率的关系正好印证了这一现象。给水箱内部与外界相通，其压强等于环境压强约为008 Mpa，这时水箱中的水和吸收器进口水的温度最高只能达到938，但是由于给水箱和管道的热损，进水温度在920上下浮动。随着蒸汽的产生腔体吸收器内部的压强逐渐增加，同时蒸汽的温度也在逐步升高，这是由饱和蒸汽的特性决定的，并达到一个相对稳定状态，此时腔体吸收器内部压强约为012 Mpa，蒸汽温度约为1050 oC。蒸汽的产量则由直射辐照度决定，如图5所示。随着辐照度的不断波动，蒸汽产量不断变化，槽式系统的吸收器内部压强在008015 MPa亘

13、射辐照度wm 2图4效率与直射辐照度的关系Fig4 Efficiency VSdirect irradianceOO000如万方数据太 阳 能 学 报 37卷间变化，产出蒸汽在9401 100间变化。在辐照度稳定时可保证稳定压强和温度的饱和蒸汽的产生图5蒸汽产量和直射辐照度的关系Fig5 The relationship between steam output anddirect irradiance多云天气条件下系统的瞬时效率与直射辐照度的关系与晴朗天气的相似。从图4可发现总体上在相同辐照度条件下多云天气的平均瞬时效率要略高于晴朗天气。文中选取的这两天相邻，所以可以忽略因为季节不同而导致的

14、太阳高度和入射角的不同以及大气质量状况的变化对系统效率的影响。影响这两天效率的因素还有跟踪精度和风速。本文中所采用的太阳能槽式太阳能系统的跟踪精度高达006。在对该系统进行的跟踪误差测试中发现，跟踪误差在020。以内带来的效率影响可以忽略。测试日的风速情况见表3，因为风速变化范围较大，故每15 min取一平均值。从表2可看出晴朗天气有微风，即加大了腔体吸收器的对流换热损失，降低了系统效率，这也是造成当天瞬时效率低于多云天瞬时效率的最主要的原因。当太阳光被云层遮挡时，直射辐照度大幅下降，腔体吸收器吸收的热量很少甚至低于其散失的热量，腔体内部压强降低，水的沸点降低，会产生一定量的温度较低的蒸汽，所

15、以在实验中会发现在辐照度骤然下降的一段时间内，蒸汽的产量不会下降但其温度变低，这导致在这段辐照度范围内效率偏大，故如图4中的多云天气在低辐照度段有几个效率值很大。过了这段时间，系统产生的蒸汽的温度和产量下降，效率下降。这也是造成在低辐照度段效率大幅度波动的主要原因。若长时间遮挡，直射辐照度低于480 Wm2，系统将不能产生蒸汽，热能大量散失。表3风速表(ms)Table 3 Wind speed(ms)时间0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 160mln晴天35 42 40 26 43 42 20 35 33 32 23多云00 20 01 04 00 02 00

16、03 10 03 0032 V型腔体吸收器的热损失吸收器的热损失是制约其热效率的一个重要因素，有必要研究其热损失。本文测试V型腔体吸收的热损失所采用的流体为水。在稳态条件下流体所损失的热量等于吸收器向外界环境散失的热量。其中流体所损失的热量可表示为：。=咖。(丁。一气。) (5)腔体吸收器向外界散失的热量为：下一71g。=芋(6)。毕 (7)式中，t。腔体吸收器的平均温度，K；t环境温度，K；尺。腔体吸收器的总热阻，KW。由图6可知腔体吸收器的热损主要包括两部分：一是吸热板通过对流和热辐射向外界环境散热；二是开口圆筒通过导热将热量传递给保温层，保温层再将热量传导给不锈钢外壳，最后不锈钢外壳通过

17、对流和辐射向外界环境散热。其热阻网络图如图7所示。一图6 v型腔体吸收器的热损示意图Fig6 Diagram of heat loss of Vshaped cavity absorber腔体吸收器的吸热板对外界环境的对流热阻和辐射热阻的并联等效热阻： 即1(忐+击)2丽1(8)式中，R。、R。，吸热板的对流换热热阻、辐射万方数据6期 洪永瑞等：基于腔体吸收器的太阳能槽式产生蒸汽系统特性研究 1457换热热阻，KW；A。吸热板的等效面积，m2；hh。，吸热板的对流换热系数、辐射换热系数，W(m2K)。月删R卅rW月，W图7 V型腔体吸收器的热阻网络示意图Fig7 Diagram of ther

18、mal resistance network ofV-shaped cavity absorber腔体吸收器吸热板到外界环境的对流换热系数h。的确定比较复杂，为了简化计算和理论推导，吸热板可视作一个向下的等边V形，参考文献15，16，可给出：NuL=053Rao22(105RaL108) (9)h。：TNuLk(10)LRa：(11)Lgfl(T-Ta)ff POl式中，Nu。吸热板的平均努赛尔数；Ra。吸热板的平均瑞利数；k。空气的导热系数，W(mK)；LV型吸热板的特征长度，m，在此处为腔体吸收器的开M宽度W；To，腔体吸收器的平均温度，K；To环境温度，K；g重力加速度，ms2；口空气的

19、体积膨胀系数，K；空气的运动粘度，Nsm2；d空气的热扩散系数，m2s；最后4个常量皆可通过查表获得。实验当天环境温度为28，计算中取280 oC。腔体吸收器温度从1 100 oC降到300过程中u。、胁。、。理论分析得到的关系如图8所示。辐射换热系数为： k”2赢(12)q。=A。矿(占r：一0巧) (13)式中，q。吸热板的辐射损失热量，W；or斯蒂芬一玻尔兹曼常数，W(m2K4)；占阳极氧化铝的发射率，08；d阳极氧化铝的吸收率，09。“K 、l，f“? 火糸Fig8 Diagram ofNuL，RaL and h，。腔体吸收器的两片吸热板构成一个半封闭空间，考虑两片吸热板对外辐射换热可

20、将其简化为一等效热板。根据带公共边的等宽板的视角系数关系式为：F。，=lsmIiO) (14)Z式中，O两等宽板的夹角，在这里a=0。则由式(14)可知等效热板宽度为、；r一，即可得到吸热板的等效面积A。一彬Z。图9显示了腔体吸收器的吸热板辐射换热量，辐射换热系数以及热阻与温度的关系，其中q为吸热板的对流辐射热损，q。为吸热板的总热损。d 9 【发热饭的热损、热阻、韬刖换热系数1J温度的火系Fig9 The relation between heatlosses，thermal resistance，radiation heat transfer toemcient andtemperatur

21、e of the absorbplate吸收器外表面对外界环境的热阻：+融爿 ，腔体吸收器的外圆筒到保温层的热阻可近似表示为：万方数据太 阳 能 学 报 37卷尺。=1ln(r矿Jr,) (16)式中，r，保温层的半径，m；r，吸收器半径，m；咖吸收器开口弧度，rad；k保温材料的导热系数，W(mK)。在实验中以硅酸铝纤维棉为保温材料，其导热系数约为0034 W(mK)，厚度为5 am。经计算得尺。=0487 KW，则通过保温层的热流量q。为0144W。保温层不锈钢外壳到周围环境的热阻并联等效为：忐2瓦1+忐 )尺。R。尺。、式(17)的求解方法与腔体吸收器吸热板的辐射对流热阻相同。其中对流热

22、损主要有水平顶面和两个垂直侧面。参考式(11)可得： Ra(18)x-g归(Too-Ta)x3式中，z平板的特征长度。对于垂直平板和水平平板其特征长度为：戈=竺 (19)P式中，A。平板的表面积，m2；P平板的周长，m。实验测得不锈钢外壳的温度t。在工作时温度为4050，对于两个侧面戈=日=015 m(日为不锈钢保护外壳的高)，则Ra，=884106。所以自然对流边层为层流，则可用式(20)求解其努赛尔数： Nu。=068+器，Ra一109(201492Pr)+(0 r式中，Pr普朗特数。而与侧面相关的对流系数为：h。=告舰，=519W(m2。K)对于顶面xr：，则Ra。=191106，所以可

23、用式(21)求解努赛尔数：Nu，=o54Ra!”，104Ro107 (21)而与顶面相关的对流系数为：h=羔Nu，=591W(m2K)r2由此可知腔体吸收器保温层外壳的对流热损为：q。=2l(h。日+危。r：)(t。一疋)=445(w)回顾前文，可以发现g。远小于q。，即吸收器传输给不锈钢外壳的热量小于外壳散失到周围环境的热量。这说明不锈钢外壳吸收了一定量的太阳能，从而相对地增大了保温层的热阻，减小了热传导热损。腔体吸收器保温层外壳的对流热阻为：R。=j一=0038(KW21 )(Hhnc。一一 ，由于腔体吸收器,+保r2温h,)层外壳的温度与环境温度相差不大，在这里可以忽略辐射热损。综合以上

24、所述可得：R：一尺。+R。=0525(KW)综合前文则可得：瓦1 2鬲1+瓦1 (19)R。尺。R，7腔体吸收器总热阻以及各项热损失与其温度的关系如图10所示，其中g。为吸收器通过保温层的导热热损和保护壳对外环境的热损的和，q。为总热损。本文中所应用的V型腔体吸收器只是进行了简单的阳极氧化处理，如果对其表面进行涂层处理，再加上热镜，则预期可以加大吸收率，减少辐射和对流热损进一步提高系统效率，增强其应用性。图10吸收器的总热阻、各项热损和温度的关系Fig10 Relationship between total thermal resistance，heat losses and tempera

25、ture of the absorber腔体吸收器的总热损实验实际测量结果和理论计算值的对比如图11所示。从图11可看出，实验测量值除了极个别与理论值差别较大，绝大多数与理论计算的结果十分相近，但是总体偏大。这是由于在理论分析中没有考虑风速对腔体吸收器热损的影响，导致理论值偏小。从整体计算而言，应用以上方法求解腔体吸收器在中低温段的热损失万方数据6期 洪永瑞等：基于腔体吸收器的太阳能槽式产生蒸汽系统特性研究 1459是可行的。456图ll 总热损的实验值和理论值的对比Fig1 1 Comparis。n。f experimental and theoreticalE 6values of the

26、 total heat loss4结论研究结果表明，在晴朗天气条件下，基于V型腔体结构吸收器的太阳能槽式产生中温蒸汽系统的瞬时效率为512，系统效率为4554。在对其热损分析中发现，吸热板的辐射热损和对流热损是限制吸收器效率的主要因素。理论分析和实验结果比较吻合，说明本文所采用的努赛尔数经验公式在吸收器开口朝下的情况下可用于求解V型腔体模型的努赛尔数。但是本文只是简单地讨论了吸收器开口朝下时的热损情况，而系统在工作时，朝向是变动的，这仍需进一步讨论研究。7889致谢：本文还获云南省研究生学术新人奖资助，在此致以诚挚的感谢。 923参考文献Guptaa M K，Kaushik S CExergy

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37、IONSYSTEM BASED oN PARABoLIC TRoUGH SoLARCONCENTRATOR WITH CAVITY ABSoRBERHong Yongruil，Li Min91一，Chen Fei2，Luo Xi2，Chang Weil，Zhang Shaob01(1School ofPhysics andElectronicInformation，YunnanNormalUniversity，Kunming 650092，China；2Research Institute ofSolar Energy，Yunnan Normal University，Kunming 6500

38、92，China)Abstract：A novel V-shaped cavity absorber was designed，which was used in the parabolic trough solar concentrator forgenerating high temperature steamThe efficiency of steam generation in the system was studied by experiment andtheory at different weather conditionsThe results show that the

39、system efficiency iS 4554average transient efficiencyis 5 120in the sunny days and system efficiency is 3225，average transient efficiency is 4897in cloudy daysThethermal performance of the system for direct steam generation was determined by the heat lOSSSO the model of heat lOSSfor the cavity absor

40、ber was establishedIt is found that the experiment results are consistent with theory calculationresultsThe heat losses of the radiation and the convection are the primary heat losses of the cavity absorberThe cavityabsorber has lOW heat loss and high efficiency with the pressure intensity no more than 01 5 MPaKeywords：parabolic trough solar concentrator；V-shaped cavity absorber；direct steam generation；efficiency；heat 10SS万方数据