槽式太阳能倒梯形腔体接收器...性能实验研究及(火用)分析_边港兴.pdf

143边港兴等槽式太阳能倒梯形腔体接收器热性能实验研究及分析第 2 期第 42 卷 第 2 期2023 年 4 月内蒙古工业大学学报（自然科学版）Journal of Inner Mongolia University of Technology（Natural Science Edition）Vol.42 No.2Apr.2023文章编号：1001-5167（2023）02-0143-06槽式太阳能倒梯形腔体接收器热性能实验研究及分析边港兴1，王志敏1,2，邓天锐1，产文武1,袁拓1（1.内蒙古工业大学 能源与动力工程学院，呼和浩特 010051；2.内蒙古工业大学 风能太阳能利用技术教育部重点实验室，呼和浩特 010051）Experimental study and analysis of thermal performance of trapezoidal cavity receiver for trough solar energy systemBIAN Gangxing1,WANG Zhimin 1,2,DENG Tianrui1,CHAN Wenwu 1,YUAN Tuo 1收稿日期：2022-12-05基金项目：内蒙古自治区自然科学基金项目（2020LH05016）；内蒙古工业大学科学研究项目（ZZ201907）；内蒙古工业大学博士基金项目（BS201932）第一作者：边港兴（1997），男，2021 级硕士研究生，主要从事槽式太阳能热利用研究。E-mail:通信作者：王志敏（1982），女，博士，副教授，主要从事槽式太阳能热利用研究。E-mail:(1.School of Energy and Power Engineering,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010051,China;2.Key Laboratory of Wind and Solar Energy Utilization Technology,Hohhot 010051,China)Abstract:In this study,the thermal performance of the trapezoidal cavity receiver suitable for trough solar energy system was experimentally tested to investigate the influence of different factors on the system performance.Comprehensive evaluation was conducted based on multiple indicators such as heat loss rate,thermal efficiency,and heat transfer coefficient.The results showed that the flow rate,heat transfer fluid temperature,and environmental wind speed had a significant impact on the thermal performance within the studied range.Both heat loss rate and thermal efficiency decreased with the increase of flow rate.The maximum heat loss rate of 57.11%was achieved when the heat transfer fluid inlet temperature reached 363 K,whereas the maximum thermal efficiency of 8.43%was achieved when the heat transfer fluid inlet temperature reached 355.7 K.When the wind speed increased from 0.8 m/s to 2.6 m/s,the heat loss rate increased by 70.1%,and the thermal efficiency decreased by 16.5%.The heat transfer coefficient was significantly affected by the changes in the heat transfer fluid inlet temperature and flow rate.Key words:trough solar energy;cavity receiver;thermal efficiency;heat loss摘 要：针对适用于槽式太阳能系统的倒梯形腔体接收器，通过实验测试了不同因素对系统热性能的影响，并基于热损失率、效率及系数等多指标进行综合评价。研究结果表明：在研究范围内，流量、传热工质温度、环境风速对热性能的影响较大。热损失率和效率均随流量的增大而减小。工质入口温度达到 363 K 时，热损失率达到最大值为 57.11%；工质入口温度达到 355.7 K 时，效率达到最大值为 8.43%；风速由 0.8 m/s 增大至 2.6 m/s，热损失率增加了 70.1%，效率减小了 16.5%。系数受工质入口温度、流量的变化影响较为显著。关键词：槽式太阳能；腔体接收器；效率；热损失中图分类号：TK 513.3 文献标志码：A 槽式太阳能聚光集热装置主要由抛物面反射镜、接收器、跟踪控制系统和支撑结构组成。接收器实现系统光热耦合转化，一般分为真空管式和基于黑腔效应的腔体式。前者的热损失率较低，但后者制造工艺简单、稳定性更好。腔体接收器由于其结构特点通常存在热损失较大的问题，因此研究并揭示各因素对腔体接收器热损失的影响规律可为进一步优化腔体性能提供理论基础。在热传递过程中，接收器受结构特性、运行参数和环境因素的影响，导致了较大的热损失1-2。TAN Y T 等3针对应用碟式太阳能的半球式腔体接收器，通过室内实验的方法研究了入口温度对系统热损失的影响。MOHAMAD K 等4研究发现腔体接收器热损失会受到表面发射率、质量流量、传DOI:10.13785/ki.nmggydxxbzrkxb.2023.02.005144内蒙古工业大学学报（自然科学版）2023 年热工质温度和风速等因素影响。LI X L 等5和李雪岭等6针对一种腔体接收器分析了倾斜角度、入口温度、涂层发射率和孔径宽度对热性能的影响。LIANG H B 等7针对太阳能槽式聚光集热系统，设计了一种新型腔体接收器，采用了实验和模拟相结合的研究方法进行了热性能测试和验证。宋子旭等8提出一种适用于抛物槽式集热器的太阳能腔式接收器,建立三维传热模型，通过实验分析了环境温度、风速等环境参数和传热工质、进口温度、流量等工作参数对系统性能的影响。高鑫磊等9主要针对一种新型腔式接收器，搭建实验平台，通过建立一维非稳态传热模型和基于 MATLAB 软件的模拟，进行了实验测试及模型验证。目前基于腔体接收器热性能的研究评价指标相对单一，且不同结构腔体接收器的热性能规律并不具有普适性，因此本文针对一种适用于槽式太阳能系统的倒梯形腔体接收器搭建槽式聚光集热系统实验平台，通过理论和实验测试的方法分析工质入口温度、流量、太阳辐照度、环境温度和环境风速等因素对槽式太阳能腔体接收器热性能影响，并采用热损失率、效率和系数等指标进行综合量化，从能量的数量和能量的“品质”出发进行评价。该研究对减少腔体接收器热损失，优化其集热性能具有重要的理论意义和工程应用价值。1实验测试系统实验系统由双轴跟踪平台、槽式聚光镜、倒梯形腔体接收器、支撑装置、水箱、浮子流量计以及泵等组成。其中双轴跟踪平台采用某公司生产的全自动双轴光敏式跟踪系统，该系统由传感器、控制系统、机械传动系统构成，用到的槽式聚光装置为抛物型槽式聚光器10。实验中所使用的仪器及相关参数如表 1 所示。该实验测试使用水作为流动工质。根据当地太阳直接辐照度(DNI)变化情况，测 试 时 间 段 选 取 5 月 20 日 至 6 月 20 日 每 天 的10:0014:00；测试期间DNI稳定在700 W/m2以上；环境风速变化范围为 03 m/s；选取 500、700、1 000 L/h 流量工况；水箱初始温度为 297300 K之间；测试过程中，数据采集记录间隔为 10 s，为消除偶然因素，太阳直射辐射、环境风速、腔体接收器进出口温度数据均以 1 min 为单元，取单元时间内的平均值。研究使用的接收器为实验室自行设计的一种基于黑腔效应的倒梯形腔体接收器10，剖面结构见图 1。2槽式太阳能腔体接收器热损失理论基础2.1 系统热损失率槽式太阳能系统光热实验中致使系统产生热损失是一个多元综合影响的结果11。本研究中槽式太阳能系统采用双轴跟踪方式，跟踪精度较高，采用基于黑腔原理的倒梯形腔体接收器作为光热耦合装置，系统中管道和水箱都使用了聚乙烯保温，因此流动管路及水箱的热损量较小，可忽略。本文主要研究由于腔体接收器热传递产生的热损失，测试时先对聚光镜进行清洁，保证镜面洁净度，可忽略该部分光学损失影响。为了避免聚光镜反射率的影响，在瞬时集热效率的计算中，系统接受能量为聚光镜反射的辐射能12，即：随着太阳辐照度、环温、风速等气象的变化，系统的集热效率是瞬时的，因此定义系统瞬时集热效率平均值为平均集热效率为 t，其数学公式为：表 1主要仪器仪表Table 1Main apparatus and instruments仪器名称型号精度/%浮子流量计恒温LZB-251.50磁力循环泵MP-100R热电偶K0.75数采仪TP7000.20图 1倒梯形腔体接收器的剖面结构Fig.1Profile structure of the inverted trapezoidal cavity receiver吸热管光孔腔体内壁外壳保温层(1)(2)ttt145边港兴等槽式太阳能倒梯形腔体接收器热性能实验研究及分析第 2 期瞬时热损失率即损失的总能量与得到的总能量之比，瞬时热损失率公式可以表示为：受实验环境影响，瞬时热损失率是随时间变化的，定义实验时间段内的瞬时热损失率的积分平均值为平均热损失率，其数学公式如下：式中：t为系统瞬时集热效率；Qh为系统工质瞬时获得热量，W；Qc为聚光镜接收能量，W；t为系统平均集热效率；为系统瞬时热损失率；s为系统平均热损失率；cp为水的定压比热容，J/(kgK)；m 为质量流量，kg/h；Tout为出口水温，K；Tin为进口水温，K；I0为太阳直接辐照度，W/m2；Ac为聚光镜开口面积，m2。无风时，腔体接收器与环境换热方式为自然对流传热，对应的努赛尔数为：有风时，腔体接收器与环境换热方式为强制对流传热，对应的努赛尔数为：式中：Ra 为以接收器对应部件的直径为特征长度的瑞利数；Pr 为外界空气的普朗特数；g 为重力加速度，m/s2；为空气体积膨胀系数；T 为接收器与环境之间的温差，K;Lr为特征长度，m；v 为空气运动粘度，m2/s；a 为热扩散系数，m2/s。式中常数 B 和 m 的值如表 2 所示。2.2 系统效率由热力学第二定律可知，温度的变化会导致同等数量热量中可用能量随之变化，系统集热效率是体现系统获得热量的物理量，通过建立平衡方程，考虑各过程中的损失，评价过程的效率。效率被定义为收益与支付的比值，用 e表示。本文同时从能量品质的角度，通过效率 e对多因素下腔体接收器的热性能进行评价。效率 e计算公式 如下：对于接收器来说，工质在吸热增温过程中所造成的熵增，属于不可逆的熵损失，还有由高温工质向环境的热扩散损失。由于这些损失的存在，导致工质吸收的能量只有一部分能够作为有用能去做功。根据倪振伟等13提出的系数，定义本文研究的系数 为系统效率和集热效率之间的比值，即表示在接收器所收集到的热量中“可用能”所占的比例，计算公式如下:式中：E 为系统收集到有用能；为瞬时效率；e为平均效率；为接收器的系数；qv为集热管内集热工质体积流量，L/h；为工质密度，kg/m3；ta为环境温度，；h1为集热管工质出口焓值，kJ/kg；h2为集热管工质出口焓值，kJ/kg；s1为集热管工质入口熵值，J/(kg)；s2为集热管工质出口熵值，J/(kg)。3实验结果分析3.1基于热损失率的影响研究经过数据整理，分析入口温度、流量、辐照度、环境温度和环境风速对基于热损失率的影响研究，数据结果分析如下：该实验在闭环系统中进行，流量为 500 L/h，风速在较小范围波动。由图 2 知，随着工质平均温度从 303.8 K 升高至 362.1 K 热损失率越来越大，当工质入口温度达到 362.1 K 时，热损失率可达到57.11%；环境温度在 302305 K 之间基本维持稳表 2式(7)中 B 和 m 之值Table 2The values of B and m in formula(7)ReBm0.440.989 00.3304400.911 00.385404 0000.683 00.4664 00040 0000.193 00.61840 000400 0000.026 60.805,ee-=(3)(4)(8)(9)(10)(11)(5)(6)(7)ts()()2121vaEqhhtss=-146内蒙古工业大学学报（自然科学版）2023 年/m s-1()%定，随着工质入口温度的升高，腔体接收器腔内的温度也逐渐升高，与环境的温差逐渐增大，因此腔体接收器与环境的对流传热和辐射传热过程加快，进出口温差会逐渐减小，热损失率也增大，由工质入口温度变化可知，其温度增加逐渐变慢，而该时间段内辐照度变化较小，所以热损失随工质平均温度的增加而增大。由图 3 知，受工质入口温度增大影响，不同的流量下腔体接收器热损失率都呈上升趋势，上升速度相似，论证 3d 重复测试中，3 种流量的测试环境条件相差较小；随着流量的增加，流速增快，流体在集热管中停留时间减少，进出口温差减小，热损失率呈上升趋势，区间流量为 500、700、1 000 L/h 工况下的瞬时集热效率最高分别可达 65.26%、59.11%、51.68%。由图 4 知，直射辐射的变化较为稳定，基本处于 750800 W/m2之间，而随着时间推移，热损失率在波动中逐渐增大，辐照度小范围内波动对热损失率的影响较小。由图 5 知，随着环境风速的增大，热损失率增大，二者的变化趋势和速度接近；风速由 0.8 m/s 逐渐 增 大 至 2.6 m/s，热 损 失 率 从 30.05%升 高 至51.25%，随着风速的增加，腔体接收器腔内空气图 3不同流量下热损失率对比图Fig.3Heat collection efficiency at different flow rate图 4辐照度对热损失率的影响Fig.4Effect of irradiance on heat loss rate图 5环境风速对热损失率的影响Fig.5Effect of ambient wind on heat loss rate图 6环境温度对热损失率的影响Fig.6Effect of ambient temperature on heat loss rate扰动增大，与环境空气之间的换热过程加快，从而导致接收管温度下降速率加快，热损失率增大。由此可以发现，在该实验运行温度下，环境风速对热损失率的影响较明显。进行环境温度对热损失率影响分析时，为避免流体平均温度的影响，实验在开环系统中进行，环境温度为 297303 K，风速在 1.41.6 m/s 之间，辐照度在 720800 W/m2之间；流量取 700 L/h，工质进口初始温度为 298 K。由图 6 可以看出，热损失率波动频率较大，波动幅度在 30%47%之间，随着环境温度从 297 K升高至 303 K，热损失率整体呈下降变化趋势，但变化趋势较小，可知在一定范围内环境温度对热损失率的影响较小。11:55 12:05 12:15 12:25 12:35 12:45010203040506070热损失率%时间 1 000 L/h 热损率 1 000 L/h 温度 700 L/h 热损率 700 L/h 温度 500 L/h 热损率 500 L/h 温度30405060708090100水箱温度/11:1511:2511:3511:4511:5512:0512:1512:2525303540455055600640680720760800/(Wm-2)/K%图 2工质入口温度对热损失率的影响 Fig.2Effect of inlet temperature of HTF on heat loss rate/K%147边港兴等槽式太阳能倒梯形腔体接收器热性能实验研究及分析第 2 期3.2基于效率的影响研究由图 7 可知，在该时间段内，效率随着工质入口温度的增加总体呈现先增大后减小的趋势。随着工质入口温度从 303.8 K 升高至 355.7 K，效率明显呈上升趋势。当工质入口温度达到 355.7 K 时，效率到达最大值为 8.43%。这是因为环境温度在 302305 K 之间基本维持稳定，而工质入口温度的升高会导致腔体接收器腔内的温度也逐渐升高，与环境的温差逐渐增大，导致效率增加。由图 8 可知，区间流量为 500、700、1 000 L/h 工况下的效率均随时间推移而增加。而相同时间内，效率的增加随着工质流量的增加而减小。相同时间段内，工质流量为 500 L/h 时，效率最大值为 3.51%，是工质流量为 1 000 L/h 时效率最大值的 1.51 倍。这是因为随着工质流量的增加，增大了进出口熵差，增加了工质由于自身熵增所造成的损失，从而降低了效率。由图 9 可知，直射辐射的变化较为稳定处于750800 W/m2之间，而随着时间推移，效率在较小范围内波动变化，在该辐射区间内，辐照度的改变对效率的影响不具有显著性。由图 10 可知，随着环境风速的增大，效率的虽有一定波动，但整体还是呈下降趋势；当风速图 7工质入口温度对效率的影响Fig.7Effect of inlet temperature of HTF on exergy efficiency 图 8流量对效率的影响Fig.8Effect of flow rate on exergy efficiency图 9辐照度对效率的影响Fig.9Effect of irradiance on exergy efficiency由 0.8 m/s 逐渐增大至 2.1 m/s，效率从 11.32%降低至 9.45%。这是因为风速的增加后会增强强制对流传热程度，使得腔体接收器内部温度场紊乱，从而导致效率的下降。由图 11 可知，随着环境温度逐渐升高，效率整体呈较大下降趋势。当环境温度为 297 K 升高至 303 K，效率由 1.34%下降至 0.31%，这是因为当环境温度升高时，进口温度较为稳定，环境温度与进口温度的温差较大导致效率的下降。但整体而言，环境温度的改变对效率大幅度的提高或降低并未起到明显作用，环境温度对效率的影响较小。3.3基于系数的影响研究由以上分析可知，在实验范围内，流量、工质进口温度、风速对腔体接收器热性能的影响相对更为显著，这里引入系数进一步评价。图 10风速对效率的影响Fig.10Effect of wind speed on exergy efficiency图 11环境温度对效率的影响Fig.11Effect of ambient temperature on exergy efficiency/K%h-1/%m-2/m s-1（）/%/K/%148内蒙古工业大学学报（自然科学版）2023 年由图 12 可知，受工质进口温度、风速以及流量变化影响，系数均呈增加趋势，但影响程度不同。当工质入口温度从 328.1 K 升高到 344.6 K时，系数增大了 50%。当风速从 1.2 m/s 增大到2.1 m/s 时，系数增加了 16%。当流量为 500、700、1 000 L/h 系数随时间变化的增幅分别为118%、103%和 71%。理论分析，工质进口温度、风速的增加均会增大高温工质向环境的热扩散损失，而流量的增加使得传热工质在吸热升温过程中的熵增引起的损失减小，因此系数会随流量增加而减小。4结论通过实验研究，对流量、工质进口温度、风速、辐照度、环境温度等因素对接收器的影响进行热性能以及性能的分析，结论如下：1）经过多元分析，本文研究范围内，流量、流体平均温度、环境风速对热损失率的影响较大，环境温度和辐照度对热损失率的影响较小。在 500 1 000 L/h 的流量范围内，热损失率和效率随着流量的增大均减小；工质入口温度达到 363 K 时，热损失率达到最大值为 57.11%；工质入口温度达到 355.7 K 时，效率达到最大值为 8.43%；风速由 0.8 m/s 逐渐增大至 2.6 m/s，热损失率升高至51.25%，效率降低至 9.45%。2）实验周期内，风速和工质进口温度的增加使系数分别增大了 16%和 50%，流量增加会导致系数减小。未来可从减少传热工质熵增损失和对环境的热损失等方面优化接收器。参考文献1 NAVARRO-HERMOSO J L,ESPINOSA-RUEDA G,HERAS C,et al.Parabolic trough solar receivers characterization using specific test bench for transmittance,absorptance and heat loss simultaneous measurementJ.Solar Energy,2016,136:268-277.2 ABDULHAMED A J,ADAM N M,AB-KADIR M Z A,et al.Review of solar parabolic-trough collector geometrical and thermal anal-yses,performance,and applicationsJ.Renewable and Sustainable Energy Reviews,2018,91:822-831.3 TAN Y T,ZHAO L,BAO J J,et al.Experimental investigation on heat loss of semi-spherical cavity receiverJ.Energy Conversion and Management,2014,87:576-583.4 MOHAMAD K,FERRER P.Cavity receiver designs for parabolic trough collectorDB/OL.(2019-09-24)访问日期缺失.https:/arxiv.org/abs/1909.11053.5 LI X L,CHANG H W,DUAN C,et al.Thermal performance analysis of a novel linear cavity receiver for parabolic trough solar collectorsJ.Applied Energy,2019,237:431-439.6 李雪岭,常华伟,段晨,等.一种基于新结构的线性腔式太阳能集热器研究 J.太阳能学报,2021,42(2):8-13.7 LIANG H B,ZHU C G,FAN M,et al.Study on the thermal performance of a novel cavity receiver for parabolic trough solar collectorsJ.Applied Energy,2018,222:790-798.8 宋子旭,由世俊,张欢,等.槽式太阳能新型腔式吸热器的热性能研究 J.太阳能学报,2021,42(3):475-479.9 高鑫磊,由世俊,张欢,等.槽式太阳能新型腔式吸热器模拟和应用研究 J.太阳能学报,2019,40(10):2899-2904.10 王志敏,田瑞,齐井超,等.倒梯形腔体接收器的结构设计及光学性能 J.光学学报,2017,37(12):1222003.11 王志敏,田瑞,韩晓飞,等.基于腔体的双轴槽式系统集热特性动态测试 J.太阳能学报,2018,39(3):737-743.12 韩晓飞.基于太阳光谱分频利用的纳米流体特性及实验研究 D.呼和浩特:内蒙古工业大学,2020.13 倪振伟,朱明善,王维城.以参数评价太阳能集热器的“动力”性能 J.太阳能学报,1981(3):280-286.图 12工质入口温度、流量、风速对系数的影响Fig.12Effect of inlet temperature of HTF,flow rate and wind speed on exergy coefficient0.0900.1050.1200.1350.0510.0680.0850.1020.0360.0480.0600.0720.0320.0400.0480.05612:0512:1512:2512:3512:450.1850.1860.1870.188系数 工质入口温度系数 500Lh-1系数 700Lh-1系数 1000Lh-1系数时间 风速0.0900.1050.1200.1350.0510.0680.0850.1020.0360.0480.0600.0720.0320.0400.0480.05612:0512:1512:2512:3512:450.1850.1860.1870.188系数 工质入口温度系数 500 L/h系数 700 L/h系数 1 000 L/h系数 风速