韋 彪

（河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京,210098）

0 引言

在眾多新能源中，太陽(yáng)能是應(yīng)用最廣、最具有發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉粗?。采用太?yáng)能進(jìn)行大規(guī)模集中式發(fā)電將發(fā)揮重大作用。槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化，還須有效地降低成本，提高光熱轉(zhuǎn)換效率。因此，有必要對(duì)集熱器傳熱特性進(jìn)一步研究。本文對(duì)槽式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)提出了一種熱力計(jì)算的方法，結(jié)合實(shí)際驗(yàn)證了算法的合理性，根據(jù)算法對(duì)設(shè)計(jì)的DSG集熱系統(tǒng)進(jìn)行了傳熱計(jì)算和分析，證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

1 槽式SEGS太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)

槽式拋物面反射鏡太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)（SEGS）。它是將眾多的槽型拋物面聚光集熱器，經(jīng)過(guò)串并聯(lián)的排列，從而可以收集較高溫度的熱能，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。系統(tǒng)的吸熱工質(zhì)為油時(shí)需要采用雙回路。

槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)具有規(guī)模大、壽命長(zhǎng)、成本低等特點(diǎn)，非常適合商業(yè)并網(wǎng)發(fā)電。整個(gè)電站系統(tǒng)由下列部分組成：聚光集熱子系統(tǒng)、換熱子系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和輔助能源子系統(tǒng)。

槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的聚光集熱子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，是指將多個(gè)槽型拋物面聚光集熱器（Solar Collector Assembly，簡(jiǎn)稱(chēng)SCA）經(jīng)過(guò)串并聯(lián)的方式排列。每個(gè)SCA又由若干個(gè)聚光集熱單元（Solar Collector Elements，簡(jiǎn)稱(chēng)SCE）構(gòu)成。聚光集熱器由接受器、聚光器和跟蹤裝置構(gòu)成。接收器（集熱管）實(shí)質(zhì)上是一根作了良好保溫的金屬圓管（吸熱管），在金屬圓管外面套了一根同心玻璃圓管。聚光器由槽式拋物面反射鏡和支架組成，反射鏡裝在支架上，由跟蹤裝置自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)。

2 槽式DSG太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)

在槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電的研究領(lǐng)域，水工質(zhì)直接產(chǎn)生蒸汽（Direct Steam Generation，簡(jiǎn)稱(chēng)DSG）系統(tǒng)的槽式太陽(yáng)能集熱器是近些年發(fā)展的一種新技術(shù)。與SEGS系統(tǒng)相比，DSG系統(tǒng)省去了換熱環(huán)節(jié)。

采用DSG系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是費(fèi)用低，效率高，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的熱損減小。DSG系統(tǒng)的缺點(diǎn)是運(yùn)行工況復(fù)雜、控制系統(tǒng)復(fù)雜以及設(shè)備的應(yīng)力應(yīng)變較大。DSG系統(tǒng)方式分為一次通過(guò)方式、再次循環(huán)方式和逐次注入方式。本文主要研究一次通過(guò)方式。一次通過(guò)方式是指過(guò)冷水進(jìn)入吸熱管吸熱，經(jīng)過(guò)液相區(qū)、兩相區(qū)和過(guò)熱區(qū)，最后形成過(guò)熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)發(fā)電。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本較低。缺點(diǎn)是吸熱管管內(nèi)尤其是兩相區(qū)的流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜，流動(dòng)不穩(wěn)定，吸熱管管內(nèi)流體和管壁溫度變化幅度大，是DSG系統(tǒng)中最難控制的方式。

3 槽式集熱器的結(jié)構(gòu)

槽式太陽(yáng)能集熱器主要包括接收器、聚光器和跟蹤機(jī)構(gòu)三個(gè)部分。

槽型拋物面反射鏡為線聚焦裝置，陽(yáng)光經(jīng)鏡面反射后，聚焦為一條線，接收器就放置在這條焦線上，用于吸收聚焦后的陽(yáng)光，加熱管內(nèi)的工質(zhì)。所以接收器實(shí)質(zhì)上是一根作了良好保溫的金屬圓管。槽型拋物面反射鏡有真空集熱管和空腔集熱管兩種結(jié)構(gòu)型式，目前槽式太陽(yáng)能集熱管使用的主流是直通式金屬—玻璃真空集熱管，本文研究的也是真空集熱管。

真空集熱管是一根金屬圓管，它表面涂覆高溫選擇性吸收膜，如黑鉻、黑鎳等，為了降低集熱損失，在金屬圓管外面套一根同心玻璃圓管，夾層內(nèi)抽真空，既保護(hù)集熱管表面的選擇性涂層，又降低集熱損失，采用可閥合金作玻璃與金屬之間的封接。

這種真空集熱管主要用于短焦距拋物面反射鏡，以增大吸收表面，降低光照面上的熱流密度，從而降低熱損失。它的主要優(yōu)點(diǎn)是熱損失小。它的主要缺點(diǎn)，一是運(yùn)行過(guò)程中，由于玻璃管和金屬管之間的封接技術(shù)要求很高，很難做到在戶(hù)外運(yùn)行條件下長(zhǎng)期保持夾層內(nèi)的真空度；二是高溫下涂層容易老化和脫落，難以長(zhǎng)期維持性能。目前這種結(jié)構(gòu)的代表產(chǎn)品有以色列Solel公司生產(chǎn)的外膨脹真空集熱管和德國(guó)Schott公司生產(chǎn)的內(nèi)膨脹真空集熱管。

一臺(tái)槽型拋物面聚光集熱器由很多拋物面反射鏡單元組成。反射鏡采用低鐵玻璃制作，背面鍍銀，鍍銀表面涂上金屬漆保護(hù)層。鏡面的設(shè)計(jì)與制作工藝和塔式太陽(yáng)能熱電站中的平面反射鏡大體上一樣。因?yàn)橐幸欢ǖ膹澢?，其加工工藝較平面鏡要復(fù)雜。反射率是反射鏡最重要的性能。反射率隨反射鏡使用時(shí)間增加而降低。

槽型拋物面反射鏡根據(jù)其采光方式，也就是軸線指向，分為東西向和南北向兩種布置形式，因而它有兩種不同的跟蹤方式。通常南北向布置作單軸跟蹤，東西向布置只作定期跟蹤調(diào)整。每組聚光集熱器均配有一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)。由太陽(yáng)輻射傳感器瞬時(shí)測(cè)定太陽(yáng)位置，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制伺服電機(jī)，帶動(dòng)反射鏡面饒軸跟蹤太陽(yáng)。跟蹤方式分為開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和開(kāi)閉環(huán)相結(jié)合三種控制方式。

4 傳熱原理及計(jì)算

圖1是帶有玻璃管的集熱器的傳熱流程圖。為清晰起見(jiàn)，圖中省略了集熱器的光學(xué)損失。引起光學(xué)損失的有集熱器的非理想鏡面、跟蹤誤差、遮擋效應(yīng)和表面清潔度等。集熱器的主要傳熱流程如下：有效的入射太陽(yáng)能（入射太陽(yáng)能除去光學(xué)損失的部分）主要被吸熱管表面的選擇性吸熱涂層所吸收。被吸熱涂層吸收的一部分能量經(jīng)吸熱管導(dǎo)熱和吸熱管管內(nèi)對(duì)流換熱傳遞給吸熱工質(zhì)；一部分能量通過(guò)對(duì)流和輻射傳給玻璃管，經(jīng)玻璃管導(dǎo)熱，再通過(guò)與周?chē)h(huán)境的對(duì)流和輻射產(chǎn)生熱損；還有部分能量通過(guò)集熱器的波紋管產(chǎn)生導(dǎo)熱熱損。一維模型中的熱平衡方程可以表示為：

圖1 集熱器的傳熱流程圖Fig.1 Flowchart of heat transfer for collectors

根據(jù)集熱器的穩(wěn)態(tài)傳熱原理，通過(guò)集熱器的熱平衡方程和熱損方程得到有效熱能方程，建立了徑向傳熱的一維模型；把吸熱管離散成N個(gè)控制體，在每個(gè)控制體內(nèi)部建立一維模型，在控制體之間根據(jù)邊界的連續(xù)性建立了軸向傳熱的二維模型。針對(duì)管內(nèi)不同吸熱工質(zhì)，模型中加入相應(yīng)的對(duì)流換熱系數(shù)和壓降等重要參數(shù)的計(jì)算。集熱管內(nèi)為水工質(zhì)時(shí)，要分不同相區(qū)進(jìn)行計(jì)算，并計(jì)算環(huán)狀流最小流量等。

建立的數(shù)學(xué)模型采用數(shù)值計(jì)算方法，使用Matlab進(jìn)行了編程求解。一維穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算問(wèn)題為多元非線性方程組的求解問(wèn)題，使用Matlab的fslove函數(shù)通過(guò)最小二乘法對(duì)其進(jìn)行最優(yōu)化求解；二維穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算中，涉及吸熱工質(zhì)（水工質(zhì)、導(dǎo)熱油）的多種熱力參數(shù)，通過(guò)調(diào)用相應(yīng)熱力性質(zhì)計(jì)算程序完成。

本文針對(duì)不同工質(zhì)的槽式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，分別建立了集熱器的傳熱模型。DSG系統(tǒng)是近些年發(fā)展的一種新技術(shù)，與傳統(tǒng)系統(tǒng)采用導(dǎo)熱油介質(zhì)相比，效率更高，更具有研究?jī)r(jià)值。本文以采用真空集熱管的一次通過(guò)式槽式DSG系統(tǒng)太陽(yáng)能集熱器為研究對(duì)象，進(jìn)行了集熱系統(tǒng)的熱力計(jì)算。

5 模型驗(yàn)證

可以結(jié)合槽式太陽(yáng)能集熱器熱性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型。實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量的物理量主要有溫度、幅照度、流量、風(fēng)速等，可以使用數(shù)據(jù)采集儀把溫度傳感器、幅照表、流量計(jì)、風(fēng)速儀輸出的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再傳給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。這里主要說(shuō)明通常實(shí)驗(yàn)中使用的溫度傳感器。

鉑電阻是一種高精度測(cè)溫標(biāo)準(zhǔn)傳感器。鉑電阻在中溫（-200℃～650℃）范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。鉑電阻的阻值與溫度之間存在非線性關(guān)系，可用多項(xiàng)式來(lái)描述。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)751-1983：

式中 A=3.96847×10-3；B=-5.847×10-7；R0—標(biāo)稱(chēng)電阻，；Rt—溫度為t℃時(shí)的電阻值，。

鈾熱電阻Pt100有三種接線方式：二線制接法、三線制接法、四線制接法。不同的接線方法對(duì)應(yīng)不同的精度要求。二線制接法電源與信號(hào)共用兩根導(dǎo)線，沒(méi)有考慮測(cè)溫電纜的電阻，因此只能適用于測(cè)溫精度較低的場(chǎng)合。三線制接法電源正端與信號(hào)輸出的正端分離，但它們共用一個(gè)負(fù)端，消除了連接導(dǎo)線電阻引起的測(cè)量誤差，測(cè)量精度高于二線制，作為過(guò)程檢測(cè)元件，其應(yīng)用最廣。四線制接法兩根引線為鉑熱電阻提供恒流源I，把電阻R轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)U，再通過(guò)另兩根引線把U引至數(shù)據(jù)釆集儀器。這種接線方法可以完全消除引線的電阻影響，主要用于高精度溫度測(cè)量。這里要求在0～450℃（723K）溫度范圍內(nèi)測(cè)量的準(zhǔn)確度為±0.1℃，因此釆用四線制接法，精度等級(jí)選A級(jí)。

圖2表示沿程隨著吸熱管內(nèi)水工質(zhì)溫度的升高，集熱器熱損的變化情況。這里計(jì)算熱損時(shí)是根據(jù)集熱器的熱損除以集熱器的開(kāi)口面積得到的。從圖中可知，在相同的邊界條件和初始條件下，實(shí)驗(yàn)值和模擬值之間誤差較小，吻合較好，證明本文集熱器模型具有較好的準(zhǔn)確性。

圖2 集熱器沿程的熱損模擬對(duì)比

按照文獻(xiàn)[6]的條件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，把模擬值與文獻(xiàn)[6]的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示，表示當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，不同的質(zhì)量流量下吸熱管的總長(zhǎng)的變化。從圖中可知，本文模擬值和文獻(xiàn)值良好吻合，同樣證明本文集熱器模型具有較好的準(zhǔn)確性。根據(jù)擬合公式，兩者數(shù)據(jù)都呈現(xiàn)線性分布。

圖3 不同流速下吸熱管的總長(zhǎng)模擬對(duì)比

6 集熱系統(tǒng)熱力計(jì)算

根據(jù)建立的模型對(duì)DSG集熱系統(tǒng)進(jìn)行熱力計(jì)算。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始條件和邊界條件有：太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為1000 W/m2，質(zhì)量流量為0.8 kg/s，系統(tǒng)的管長(zhǎng)約為600m，水工質(zhì)的入口溫度為393K，入口壓力為4MPa。

計(jì)算結(jié)果如圖4所示，得到出口為673K左右的過(guò)熱蒸汽。在基本參數(shù)條件下，液相區(qū)沿程水工質(zhì)溫度基本呈線性升高，但擬合公式表明并非完全線性；兩相區(qū)中因?yàn)槭軌航档挠绊?，水工質(zhì)溫度下降，但下降程度很小，約為2K；氣相區(qū)與液相區(qū)類(lèi)似。液相區(qū)和兩相區(qū)中吸熱管外壁—水工質(zhì)的溫差都逐漸減小，氣相區(qū)中溫差先增大后減小，且達(dá)到最大值約16K。

圖4 沿程水工質(zhì)溫度和吸熱管外壁一水工質(zhì)的溫差

7 結(jié)論

運(yùn)行中吸熱管壁溫的最大值是DSG集熱系統(tǒng)的重要參數(shù)，它要低于吸熱管表面的選擇性吸熱涂層的最大工作溫度。目前關(guān)于吸熱涂層的最大工作溫度，還沒(méi)有確定的數(shù)據(jù)，有資料表明Sole公司和Schott公司生產(chǎn)的吸熱涂層可以在713K下穩(wěn)定工作，所以當(dāng)水工質(zhì)溫度達(dá)到673K時(shí)，周?chē)奈鼰峁芄鼙诤凸べ|(zhì)之間的溫差不能超過(guò)40K。本文的計(jì)算結(jié)果在溫差為20K以下的范圍內(nèi)，滿足目前吸熱涂層可承受的最高溫度要求，證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

[1]王軍,張耀明,劉德有等.太陽(yáng)能熱發(fā)電系列文章(8)槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電DSG技術(shù)[J].太陽(yáng)能,2007,(2):26-29.

[2]羅運(yùn)俊, 何梓年,王長(zhǎng)貴.太陽(yáng)能利用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2006: 4-14.

[3]李吉林.90國(guó)際溫標(biāo)：常用熱電偶、熱電阻分度表[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1998.

[4]韋以明.電橋溫度計(jì)的實(shí)驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(4)： 28-31.

[5]M Eck,W D Steimnann. Modelling and Design of Direct Solar Steam Generating Collector Fields[J].Journal of Solar Energy Engineering,2005,127(8):371-380.

[6]S D Odeh,M Behnia,G L Morrison.Hydrodynamic Analysis of Direct Steam Generation Solar Collectors[J].Journal of Solar Energy Engineering,2000, 122(1): 14-22.

[7]莊逸峰,賈正源.我國(guó)太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及建議[J].科技和產(chǎn)業(yè), 2008, 8(9): 5-6.