王顯龍，李華山，廉永旺，姚 遠(yuǎn)，卜憲標(biāo)，孟凡基

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

金屬直通型集熱管非選擇性吸收涂層段熱性能研究*

王顯龍1?，李華山1,2，廉永旺1，姚 遠(yuǎn)1，卜憲標(biāo)1，孟凡基1,2

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

考慮金屬連接裸管和膨脹節(jié)的影響，建立了太陽(yáng)能槽式集熱器能量轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型，分析其吸熱、散熱和光熱轉(zhuǎn)換效率幵與常規(guī)計(jì)算斱式進(jìn)行了對(duì)比。計(jì)算表明金屬連接裸管段的熱損失較大，其對(duì)集熱器性能的影響較膨脹節(jié)更為顯著。隨著太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度的降低和金屬集熱管溫度的升高，太陽(yáng)能槽式集熱器光熱轉(zhuǎn)換效率逐漸降低。對(duì)比等同計(jì)算斱式，本文所采用的差異化計(jì)算所得的吸熱量較低，集熱器熱效率與文獻(xiàn)中的實(shí)測(cè)值相比誤差在3%左右，更加貼近實(shí)際情況。

槽式聚光集熱器；金屬直通型真空管；膨脹節(jié)；金屬連接裸管；差異化計(jì)算

0 前 言

槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電是世界上商業(yè)化程度最成熟的太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)，具有眾多優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)[1-7]，得到廣泛的研究[8-11]。傳統(tǒng)的太陽(yáng)能槽式熱發(fā)電的傳熱工質(zhì)是導(dǎo)熱油，為提高系統(tǒng)效率，很多學(xué)者對(duì)直接蒸汽循環(huán)的集熱器系統(tǒng)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究[12-15]。在槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中，聚光集熱器的投資比例很高，對(duì)系統(tǒng)性能影響最大，因而眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)槽式聚光集熱器進(jìn)行廣泛的研究。

Behar等[16]回顧比較了聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電接收器的相關(guān)技術(shù)和研究成果；Padilla[17]和Kalogirou[18]等建立一維數(shù)學(xué)模型對(duì)接收器熱性能進(jìn)行模擬研究，與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比證明新模型的先進(jìn)性；Lu等[19]通過(guò)非統(tǒng)一模型，計(jì)算接收器的熱損失；Li等[20]研究了氫氣滲漏接收器導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低的影響；Cheng等[21]研究了接收器金屬管外壁太陽(yáng)能能量分布問(wèn)題；王志峰[22]分析模擬了接收器表面熱流分布幵與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比；熊亞選等[23]對(duì)聚光系統(tǒng)的風(fēng)速、環(huán)境溫差的影響進(jìn)行了模擬和測(cè)試。

太陽(yáng)能槽式熱發(fā)電接收器使用金屬直通型真空管接收聚光太陽(yáng)能，在其光熱轉(zhuǎn)換的理論計(jì)算過(guò)程中，通常忽略膨脹節(jié)和金屬連接管裸管部分的差異化影響，將這兩部分與有選擇性吸收涂層和真空玻璃管覆蓋的金屬管部分采用同樣的光熱參數(shù)進(jìn)行等同計(jì)算（簡(jiǎn)稱等同計(jì)算斱式），該計(jì)算斱式與參數(shù)的實(shí)際指標(biāo)相差較大。為更精確計(jì)算太陽(yáng)能聚光集熱器的光熱轉(zhuǎn)換效率，本文通過(guò)簡(jiǎn)化模型，引入金屬連接管裸管部分和膨脹節(jié)的差異化參數(shù)和對(duì)流散熱項(xiàng)（簡(jiǎn)稱差異化計(jì)算斱式），重點(diǎn)分析這兩種不同類型的計(jì)算斱式對(duì)槽式聚光集熱器熱效率計(jì)算結(jié)果的影響。

1 槽式聚光集熱器

太陽(yáng)能熱發(fā)電用槽式聚光集熱器的吸熱能量主要來(lái)源于太陽(yáng)光輻射，熱損是輻射、導(dǎo)熱以及對(duì)流的耦合傳熱。將工質(zhì)吸收熱量與投射到集熱器反射鏡的太陽(yáng)光直射能之比定義為聚光集熱器的光熱轉(zhuǎn)換效率，此效率受諸多因素影響，例如太陽(yáng)光直射輻射強(qiáng)度，接收器真空度，金屬管外壁面鍍膜性能，反射鏡和玻璃套管的光學(xué)性能，跟蹤傳動(dòng)精度，風(fēng)速等[24-28]，本文重點(diǎn)關(guān)注真空管接收器的熱性能計(jì)算?，F(xiàn)階段商業(yè)化的槽式熱發(fā)電所采用的真空管為單管4 m長(zhǎng)，兩根金屬直通管間連接采用焊接且無(wú)保溫措施。

太陽(yáng)直射光被反射聚焦到接收器幵傳遞熱量到金屬直通管中的工質(zhì)，實(shí)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換和熱量傳遞，金屬直通型真空管接收器結(jié)構(gòu)如圖1所示。光線透過(guò)金屬管外面的玻璃套管，在金屬管外表面被選擇吸收性涂層吸收轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱能一部分通過(guò)金屬管導(dǎo)熱傳遞給流體工質(zhì)，是可用部分，另外一部分通過(guò)金屬管道的輻射、導(dǎo)熱和對(duì)流最終傳遞給外界大氣，視為熱損。

圖1 接收器示意圖Fig. 1 Receiver diagram

常用的計(jì)算模型和計(jì)算式一般都簡(jiǎn)化了金屬管間連接部分的裸管1和膨脹節(jié)2對(duì)太陽(yáng)光光線的吸收以及散熱，將1和2部分均與5等同進(jìn)行計(jì)算。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中因?yàn)?和2部分未曾有選擇性吸收涂層，其吸收率低而發(fā)射率高導(dǎo)致吸熱少散熱多；同時(shí)1部分直接裸露在空氣中，其對(duì)流換熱系數(shù)遠(yuǎn)高于真空保溫的5部分，以上因素導(dǎo)致常用的熱效率計(jì)算值偏離實(shí)際值較大。通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能槽式熱發(fā)電試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)量得知，槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電用的4 m長(zhǎng)接收器管道的1和2部分分別占整個(gè)管長(zhǎng)的2.5%。

2 槽式集熱器數(shù)學(xué)模型

經(jīng)反射鏡反射后單根接收器對(duì)應(yīng)面積的集熱器模塊太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換的熱量qab為：

式中：

Ι為太陽(yáng)入射光直射輻射強(qiáng)度，W/m2；

ρ為反射鏡反射率；

α1為金屬管間連接裸管表面的太陽(yáng)光吸收率；

α2為膨脹節(jié)表面的太陽(yáng)光吸收率；

α3為選擇性吸收涂層的太陽(yáng)光吸收率；

τ為玻璃套管太陽(yáng)光透射率；

Amk為單根4 m長(zhǎng)接收器對(duì)應(yīng)聚光集熱器模塊部分的太陽(yáng)光入射面積，m2。

接收器的散熱部分包括了金屬管和玻璃的輻射散熱，金屬管和玻璃與空氣間的對(duì)流散熱損失。接收器熱量傳遞路徑如圖2所示，其中l(wèi)代表對(duì)流傳熱，c代表導(dǎo)熱換熱，r代表輻射換熱。

根據(jù)能量守恒定律有：

式中：

圖2 聚光集熱器能量傳遞過(guò)程Fig. 2 Energy transfer process of concentrating solar collector

本文對(duì)高溫段的聚光集熱器金屬直通型接收器做如下簡(jiǎn)化計(jì)算：金屬管和玻璃套管之間真空度保持良好，金屬管和玻璃套管間的導(dǎo)熱或者對(duì)流散熱損失極低，可以忽略，q34c= 0；膨脹節(jié)和玻璃套管連接尺寸占管道長(zhǎng)度比例極小，連接處的導(dǎo)熱或者對(duì)流散熱損失可以忽略，q74c= 0；金屬管外壁與膨脹節(jié)間的接觸熱阻以及金屬管和膨脹節(jié)導(dǎo)熱熱阻為金屬導(dǎo)熱熱阻，數(shù)值極低，可以忽略，T2=T3=T7；玻璃套管使用超白低鐵玻璃原料，短波輻射吸收率非常低，其透過(guò)率已知，紅外輻射吸收率和發(fā)射率非常高，假設(shè)ε5= 1；假設(shè)玻璃套管溫度一致，T4=T5；考慮到金屬涂層發(fā)射率隨溫度變化，按照美國(guó)SEGS太陽(yáng)能熱發(fā)電集熱器所采用涂層參數(shù)：ε3= 0.00031 ×t3– 0.0216；假設(shè)膨脹節(jié)和金屬連接管裸管的發(fā)射率和吸收率不隨溫度變化，即α1、α2、α3、ε6、ε7均為常數(shù)。

瞬時(shí)熱效率計(jì)算式為：

聚光集熱器參數(shù)列于表1：（膨脹節(jié)和金屬連接裸管表面的吸收率和發(fā)射率參照拋光不銹鋼管和未拋光不銹鋼管對(duì)應(yīng)參數(shù)）。

將式（1） ～ 式（19）代入到式（20）進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，可以求得金屬管溫度、太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度對(duì)熱效率的影響。在理想狀態(tài)下，集熱器悶曬效率隨著金屬管壁面溫度的提高和太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度的降低而降低，其降低幅度隨著壁面溫度的提高成指數(shù)規(guī)律降低。熊亞選等[28]實(shí)驗(yàn)測(cè)得，在304.3℃，太陽(yáng)光直射輻射強(qiáng)度544.8 W/m2時(shí)，使用金屬直通真空管的集熱器系統(tǒng)光熱轉(zhuǎn)換效率為70.73%，由本文算得相同條件下集熱器熱效率高于此值，其誤差小于3%，驗(yàn)證了模型的正確性。

表1 聚光集熱器參數(shù)Table1 Concentrating collector parameters

3 分析與討論

等同計(jì)算斱式計(jì)算過(guò)程中，對(duì)膨脹節(jié)、金屬連接管裸管部分的吸收率和發(fā)射率取值與金屬管選擇性吸收涂層的吸收率和發(fā)射率一致，實(shí)際傳熱過(guò)程中因?yàn)檫@兩部分未覆蓋選擇吸收性涂層，其實(shí)際的傳熱過(guò)程與等同計(jì)算斱式區(qū)別很大。表2給出了等同計(jì)算斱式計(jì)算結(jié)果和按照表1參數(shù)進(jìn)行差異化計(jì)算后的吸熱結(jié)果對(duì)比。等同計(jì)算斱式中，對(duì)膨脹節(jié)和金屬連接管裸管部分吸收太陽(yáng)能輻射量的計(jì)算值高于差異化計(jì)算值，在700 W/m2太陽(yáng)光直射輻射強(qiáng)度時(shí)兩種計(jì)算結(jié)果差達(dá)到 3.3% 左右，此結(jié)果對(duì)于大規(guī)模太陽(yáng)能槽式熱發(fā)電的長(zhǎng)期發(fā)電量的計(jì)算結(jié)果影響較大。

表2 膨脹節(jié)和連接裸管吸熱量的兩種計(jì)算對(duì)比Table 2 Comparative calculation with different calculation type for absorption heat of expansion joint and bare metal pipe

依據(jù)表1參數(shù)，對(duì)膨脹節(jié)和金屬連接裸管的散熱部分進(jìn)行計(jì)算（本文計(jì)算過(guò)程中，除特別說(shuō)明情況外，均取環(huán)境溫度為20℃，太陽(yáng)光直射輻射強(qiáng)度為700 W/m2）。等同計(jì)算斱式計(jì)算過(guò)程中，其發(fā)射率取值過(guò)小，同時(shí)忽略了金屬連接裸管直接暴露在空氣中所產(chǎn)生的對(duì)流散熱。將等同計(jì)算斱式計(jì)算結(jié)果和差異化計(jì)算斱式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)按照無(wú)風(fēng)條件計(jì)算金屬連接裸管的自然對(duì)流散熱部分。具體計(jì)算步驟為：①計(jì)算瑞利數(shù)RaD；②計(jì)算平均努賽爾數(shù)NuD；③計(jì)算平均對(duì)流換熱系數(shù)h；④計(jì)算熱損q。將計(jì)算結(jié)果繪于圖3。

圖3 不同金屬壁面溫度下各項(xiàng)熱損變化Fig. 3 Heat loss variation based on different metal pipe surface temperature

由圖3可以看出，膨脹節(jié)輻射散熱的兩種斱式計(jì)算結(jié)果相差較小，但是金屬連接裸管散熱計(jì)算中兩種斱式計(jì)算結(jié)果相差較大，主要由兩個(gè)因素引起：金屬連接裸管的實(shí)際發(fā)射率遠(yuǎn)大于等同計(jì)算斱式中采用的涂層發(fā)射率數(shù)值；等同計(jì)算斱式計(jì)算過(guò)程中沒(méi)有計(jì)算裸管暴露空氣中產(chǎn)生的對(duì)流散熱。因此等同計(jì)算斱式計(jì)算過(guò)程中的散熱量計(jì)算結(jié)果小，計(jì)算出的光熱效率偏高。

圖4 膨脹節(jié)和金屬連接裸管對(duì)熱效率計(jì)算的影響Fig. 4 Heat efficiency calculation effect from expansion joint and bare metal connecting pipe

圖4給出在不同計(jì)算斱式下，膨脹節(jié)和金屬連接裸管的不同散熱項(xiàng)產(chǎn)生的計(jì)算誤差對(duì)光熱效率計(jì)算值的影響，由圖中可以看出，等同計(jì)算斱式計(jì)算結(jié)果的金屬連接裸管輻射值被嚴(yán)重低估，對(duì)熱效率計(jì)算產(chǎn)生的誤差最大，其次為連接裸管的散熱值被忽略導(dǎo)致傳統(tǒng)熱效率計(jì)算值偏高，這兩個(gè)散熱項(xiàng)的計(jì)算誤差均隨金屬管溫度升高而增加。膨脹節(jié)輻射值的兩種斱式的計(jì)算結(jié)果偏差較小，因此可以認(rèn)為總計(jì)算誤差主要由金屬連接裸管的熱損計(jì)算誤差引起，同樣隨金屬管溫度的升高而熱損增加。在槽式熱發(fā)電的300 ～ 400℃運(yùn)行溫度區(qū)間內(nèi)，700 W/m2太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度下，基于散熱損失項(xiàng)的等同計(jì)算斱式熱效率計(jì)算值對(duì)比差異化計(jì)算值高1% ～ 2%。在金屬管溫度和環(huán)境條件相同時(shí)，膨脹節(jié)和金屬連接裸管的散熱損失與輻射強(qiáng)度無(wú)關(guān)，但吸熱量則隨太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度的增加而提高，因而熱效率計(jì)算誤差將隨太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度的降低而增加。

以上計(jì)算過(guò)程假定無(wú)風(fēng)吹過(guò)金屬連接裸管部分，即是完全自然對(duì)流換熱。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，吸熱管處于較高位置，在不同時(shí)段有不同斱向、不同速度的風(fēng)吹過(guò)金屬管。

圖 5給出了不同風(fēng)速情況下受迫對(duì)流的對(duì)流換熱系數(shù)。由圖中可以看出，在自然對(duì)流時(shí)（風(fēng)速為0），換熱系數(shù)隨著金屬管溫度的升高而增加，增加的幅度隨金屬管溫度的提高而逐漸降低；當(dāng)風(fēng)速不為0時(shí)，如忽略自然對(duì)流的影響，對(duì)流換熱系數(shù)隨風(fēng)速的提高而增大，同一風(fēng)速下強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)隨著金屬管溫度的升高而降低，降低幅度隨溫度升高和風(fēng)速降低而逐漸降低。

圖5 不同風(fēng)速下強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)隨溫度變化Fig. 5 Force convective heat transfer coefficient variation with different wind velocity and temperature

圖6 聯(lián)合對(duì)流散熱損失比例Fig. 6 Heat loss rate of association convection

當(dāng)風(fēng)速不為0的空氣橫向吹過(guò)金屬連接裸管段時(shí)，自然對(duì)流和受迫對(duì)流耦合影響，聯(lián)合作用下的混合對(duì)流換熱系數(shù)非簡(jiǎn)單疊加關(guān)系，其聯(lián)合對(duì)流關(guān)系式采用公式進(jìn)行計(jì)算，不同風(fēng)速下聯(lián)合對(duì)流散熱損失對(duì)比真空管吸熱量所占比例如圖6所示。

由圖6可知，隨著風(fēng)速的提高和金屬直通管外壁面溫度的升高，聯(lián)合對(duì)流散熱量和真空管吸熱量之間比值增加。聯(lián)合對(duì)流散熱損失與太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度無(wú)關(guān)，因此太陽(yáng)光直射輻射低于700 W/m2時(shí)的散熱比例對(duì)比圖6將會(huì)更大，且隨太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度的降低，散熱比值增加。

通過(guò)計(jì)算金屬直通管外壁面溫度為 400℃時(shí)不同風(fēng)速下聯(lián)合對(duì)流散熱損失項(xiàng)，得出風(fēng)速對(duì)于裸管對(duì)流散熱損失的影響，如圖7。

圖7 風(fēng)速對(duì)聯(lián)合對(duì)流散熱損失的影響Fig. 7 Effect of wind velocity on association convection

可以看出，隨著風(fēng)速的增加，裸管段聯(lián)合對(duì)流散熱損失增加，在風(fēng)速低于5 m/s時(shí)，散熱損失值隨風(fēng)速增加提高幅度較大，規(guī)律類似拋物線，在風(fēng)速超過(guò)5 m/s后，散熱損失隨風(fēng)速變化以類似斜直線的規(guī)律變化。

4 結(jié) 論

在太陽(yáng)能槽式熱發(fā)電用金屬直通型真空管接收器的光熱計(jì)算過(guò)程中，一般忽略膨脹節(jié)和金屬連接管裸管部分的參數(shù)差異化影響，將這兩部分與有選擇性吸收涂層和真空玻璃管覆蓋的部分等同計(jì)算。本文通過(guò)簡(jiǎn)化模型模擬后的差異化計(jì)算，發(fā)現(xiàn)等同計(jì)算斱式的熱效率計(jì)算值與實(shí)際情況相差較大，原因如下：

（1）兩種計(jì)算斱式的膨脹節(jié)和連接裸管吸收率參數(shù)差別很大，差異化計(jì)算吸熱量低于等同計(jì)算斱式的計(jì)算結(jié)果，太陽(yáng)光直射輻射強(qiáng)度在 700 W/m2時(shí)其計(jì)算誤差接近3%；

（2）差異化計(jì)算中，金屬連接裸管段的輻射散熱損失較大，忽略將產(chǎn)生較大誤差；

（3）金屬連接裸管的對(duì)流散熱損失不可忽略，且隨著風(fēng)速的增加和金屬直通管外壁面溫度的升高其對(duì)流散熱量增加；

（4）以上的散熱損失與太陽(yáng)光輻射無(wú)關(guān)，因此散熱計(jì)算誤差隨太陽(yáng)光直射輻射強(qiáng)度的降低而增加。

膨脹節(jié)和金屬連接裸管的各種計(jì)算誤差累加后，其數(shù)值較大，對(duì)長(zhǎng)期發(fā)電的太陽(yáng)能熱發(fā)電理論計(jì)算影響較大。在槽式熱發(fā)電的理論計(jì)算過(guò)程中引入差異化參數(shù)，計(jì)算結(jié)果更加貼近實(shí)際情況。

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Study on Thermal Performance of Non-Selective Absorption Coating Part for Metal Straight-Through Receiver

WANG Xian-long1, LI Hua-shan1,2, LIAN Yong-wang1, YAO Yuan1, BU Xian-biao1, MENG Fan-ji1,2

(1. Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

In this paper, a mathematical model of a parabolic trough collector is presented by considering the impacts of the bare sections of metal connecting pipe and expansion joints. The heat absorbed, heat loss and thermal efficiency of the collector are analyzed and compared with that of from conventional methods. The calculation shows that the heat loss of the bare sections of metal connecting pipe is relatively higher, which has a more obvious effect than the expansion joints on collector performance. With the intensity of beam solar irradiation decreasing, and the temperature of metal collector tube increasing, the thermal efficiency of the collector decreases. Compared with the equivalent calculation way, the differentiated calculation method provides more accurate results, and the bias error against the measured data in the literature is about 3%.

parabolic tough collector; metal straight-through vacuum tube; expansion joint; bare metal connecting pipe; calculation with different value

2095-560X（2014）01-0031-06

TK513.3

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.01.006

2013-11-03

2014-01-17

廣州市產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目（2013Y2-00091）

? 通信作者：王顯龍，E-mail：wangxl@ms.giec.ac.cn

王顯龍（1979-），男，碩士，助理研究員，主要從事太陽(yáng)能熱利用和余熱利用研究。