王顯龍，李華山，廉永旺，姚 遠，卜憲標，孟凡基

（1. 中國科學院廣州能源研究所，中國科學院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；2. 中國科學院大學，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1，卜憲標1，孟凡基1,2

（1. 中國科學院廣州能源研究所，中國科學院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；2. 中國科學院大學，北京 100049）

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

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；差異化計算

0 前 言

槽式太陽能熱發(fā)電是世界上商業(yè)化程度最成熟的太陽能熱發(fā)電技術，具有眾多優(yōu)點和優(yōu)勢[1-7]，得到廣泛的研究[8-11]。傳統(tǒng)的太陽能槽式熱發(fā)電的傳熱工質是導熱油，為提高系統(tǒng)效率，很多學者對直接蒸汽循環(huán)的集熱器系統(tǒng)進行了理論和實驗研究[12-15]。在槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，聚光集熱器的投資比例很高，對系統(tǒng)性能影響最大，因而眾多國內外學者對槽式聚光集熱器進行廣泛的研究。

Behar等[16]回顧比較了聚光太陽能熱發(fā)電接收器的相關技術和研究成果；Padilla[17]和Kalogirou[18]等建立一維數(shù)學模型對接收器熱性能進行模擬研究，與經驗數(shù)據(jù)進行對比證明新模型的先進性；Lu等[19]通過非統(tǒng)一模型，計算接收器的熱損失；Li等[20]研究了氫氣滲漏接收器導致系統(tǒng)效率降低的影響；Cheng等[21]研究了接收器金屬管外壁太陽能能量分布問題；王志峰[22]分析模擬了接收器表面熱流分布幵與實驗結果進行了對比；熊亞選等[23]對聚光系統(tǒng)的風速、環(huán)境溫差的影響進行了模擬和測試。

太陽能槽式熱發(fā)電接收器使用金屬直通型真空管接收聚光太陽能，在其光熱轉換的理論計算過程中，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)進行等同計算（簡稱等同計算斱式），該計算斱式與參數(shù)的實際指標相差較大。為更精確計算太陽能聚光集熱器的光熱轉換效率，本文通過簡化模型，引入金屬連接管裸管部分和膨脹節(jié)的差異化參數(shù)和對流散熱項（簡稱差異化計算斱式），重點分析這兩種不同類型的計算斱式對槽式聚光集熱器熱效率計算結果的影響。

1 槽式聚光集熱器

太陽能熱發(fā)電用槽式聚光集熱器的吸熱能量主要來源于太陽光輻射，熱損是輻射、導熱以及對流的耦合傳熱。將工質吸收熱量與投射到集熱器反射鏡的太陽光直射能之比定義為聚光集熱器的光熱轉換效率，此效率受諸多因素影響，例如太陽光直射輻射強度，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性能，跟蹤傳動精度，風速等[24-28]，本文重點關注真空管接收器的熱性能計算。現(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，兩根金屬直通管間連接采用焊接且無保溫措施。

太陽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，實現(xiàn)光熱轉換和熱量傳遞，金屬直通型真空管接收器結構如圖1所示。光線透過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化為熱能，這些熱能一部分通過金屬管導熱傳遞給流體工質，是可用部分，另外一部分通過金屬管道的輻射、導熱和對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

常用的計算模型和計算式一般都簡化了金屬管間連接部分的裸管1和膨脹節(jié)2對太陽光光線的吸收以及散熱，將1和2部分均與5等同進行計算。實際運行過程中因為1和2部分未曾有選擇性吸收涂層，其吸收率低而發(fā)射率高導致吸熱少散熱多；同時1部分直接裸露在空氣中，其對流換熱系數(shù)遠高于真空保溫的5部分，以上因素導致常用的熱效率計算值偏離實際值較大。通過對太陽能槽式熱發(fā)電試驗臺的測量得知，槽式太陽能熱發(fā)電用的4 m長接收器管道的1和2部分分別占整個管長的2.5%。

2 槽式集熱器數(shù)學模型

經反射鏡反射后單根接收器對應面積的集熱器模塊太陽光轉換的熱量qab為：

式中：

Ι為太陽入射光直射輻射強度，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光吸收率；

α2為膨脹節(jié)表面的太陽光吸收率；

α3為選擇性吸收涂層的太陽光吸收率；

τ為玻璃套管太陽光透射率；

Amk為單根4 m長接收器對應聚光集熱器模塊部分的太陽光入射面積，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)代表對流傳熱，c代表導熱換熱，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程Fig. 2 Energy transfer process of concentrating solar collector

本文對高溫段的聚光集熱器金屬直通型接收器做如下簡化計算：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熱或者對流散熱損失極低，可以忽略，q34c= 0；膨脹節(jié)和玻璃套管連接尺寸占管道長度比例極小，連接處的導熱或者對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)導熱熱阻為金屬導熱熱阻，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，其透過率已知，紅外輻射吸收率和發(fā)射率非常高，假設ε5= 1；假設玻璃套管溫度一致，T4=T5；考慮到金屬涂層發(fā)射率隨溫度變化，按照美國SEGS太陽能熱發(fā)電集熱器所采用涂層參數(shù)：ε3= 0.00031 ×t3– 0.0216；假設膨脹節(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)。

瞬時熱效率計算式為：

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應參數(shù)）。

將式（1） ～ 式（19）代入到式（20）進行數(shù)值計算，可以求得金屬管溫度、太陽能輻射強度對熱效率的影響。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能輻射強度的降低而降低，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]實驗測得，在304.3℃，太陽光直射輻射強度544.8 W/m2時，使用金屬直通真空管的集熱器系統(tǒng)光熱轉換效率為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

等同計算斱式計算過程中，對膨脹節(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，實際傳熱過程中因為這兩部分未覆蓋選擇吸收性涂層，其實際的傳熱過程與等同計算斱式區(qū)別很大。表2給出了等同計算斱式計算結果和按照表1參數(shù)進行差異化計算后的吸熱結果對比。等同計算斱式中，對膨脹節(jié)和金屬連接管裸管部分吸收太陽能輻射量的計算值高于差異化計算值，在700 W/m2太陽光直射輻射強度時兩種計算結果差達到 3.3% 左右，此結果對于大規(guī)模太陽能槽式熱發(fā)電的長期發(fā)電量的計算結果影響較大。

表2 膨脹節(jié)和連接裸管吸熱量的兩種計算對比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)，對膨脹節(jié)和金屬連接裸管的散熱部分進行計算（本文計算過程中，除特別說明情況外，均取環(huán)境溫度為20℃，太陽光直射輻射強度為700 W/m2）。等同計算斱式計算過程中，其發(fā)射率取值過小，同時忽略了金屬連接裸管直接暴露在空氣中所產生的對流散熱。將等同計算斱式計算結果和差異化計算斱式的計算結果進行對比，同時按照無風條件計算金屬連接裸管的自然對流散熱部分。具體計算步驟為：①計算瑞利數(shù)RaD；②計算平均努賽爾數(shù)NuD；③計算平均對流換熱系數(shù)h；④計算熱損q。將計算結果繪于圖3。

圖3 不同金屬壁面溫度下各項熱損變化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算結果相差較小，但是金屬連接裸管散熱計算中兩種斱式計算結果相差較大，主要由兩個因素引起：金屬連接裸管的實際發(fā)射率遠大于等同計算斱式中采用的涂層發(fā)射率數(shù)值；等同計算斱式計算過程中沒有計算裸管暴露空氣中產生的對流散熱。因此等同計算斱式計算過程中的散熱量計算結果小，計算出的光熱效率偏高。

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

圖4給出在不同計算斱式下，膨脹節(jié)和金屬連接裸管的不同散熱項產生的計算誤差對光熱效率計算值的影響，由圖中可以看出，等同計算斱式計算結果的金屬連接裸管輻射值被嚴重低估，對熱效率計算產生的誤差最大，其次為連接裸管的散熱值被忽略導致傳統(tǒng)熱效率計算值偏高，這兩個散熱項的計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算結果偏差較小，因此可以認為總計算誤差主要由金屬連接裸管的熱損計算誤差引起，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℃運行溫度區(qū)間內，700 W/m2太陽直射輻射強度下，基于散熱損失項的等同計算斱式熱效率計算值對比差異化計算值高1% ～ 2%。在金屬管溫度和環(huán)境條件相同時，膨脹節(jié)和金屬連接裸管的散熱損失與輻射強度無關，但吸熱量則隨太陽直射輻射強度的增加而提高，因而熱效率計算誤差將隨太陽直射輻射強度的降低而增加。

以上計算過程假定無風吹過金屬連接裸管部分，即是完全自然對流換熱。實際運行時，吸熱管處于較高位置，在不同時段有不同斱向、不同速度的風吹過金屬管。

圖 5給出了不同風速情況下受迫對流的對流換熱系數(shù)。由圖中可以看出，在自然對流時（風速為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；當風速不為0時，如忽略自然對流的影響，對流換熱系數(shù)隨風速的提高而增大，同一風速下強制對流換熱系數(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速降低而逐漸降低。

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

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

當風速不為0的空氣橫向吹過金屬連接裸管段時，自然對流和受迫對流耦合影響，聯(lián)合作用下的混合對流換熱系數(shù)非簡單疊加關系，其聯(lián)合對流關系式采用公式進行計算，不同風速下聯(lián)合對流散熱損失對比真空管吸熱量所占比例如圖6所示。

由圖6可知，隨著風速的提高和金屬直通管外壁面溫度的升高，聯(lián)合對流散熱量和真空管吸熱量之間比值增加。聯(lián)合對流散熱損失與太陽光輻射強度無關，因此太陽光直射輻射低于700 W/m2時的散熱比例對比圖6將會更大，且隨太陽直射輻射強度的降低，散熱比值增加。

通過計算金屬直通管外壁面溫度為 400℃時不同風速下聯(lián)合對流散熱損失項，得出風速對于裸管對流散熱損失的影響，如圖7。

圖7 風速對聯(lián)合對流散熱損失的影響Fig. 7 Effect of wind velocity on association convection

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

4 結 論

在太陽能槽式熱發(fā)電用金屬直通型真空管接收器的光熱計算過程中，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算。本文通過簡化模型模擬后的差異化計算，發(fā)現(xiàn)等同計算斱式的熱效率計算值與實際情況相差較大，原因如下：

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

（2）差異化計算中，金屬連接裸管段的輻射散熱損失較大，忽略將產生較大誤差；

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

（4）以上的散熱損失與太陽光輻射無關，因此散熱計算誤差隨太陽光直射輻射強度的降低而增加。

膨脹節(jié)和金屬連接裸管的各種計算誤差累加后，其數(shù)值較大，對長期發(fā)電的太陽能熱發(fā)電理論計算影響較大。在槽式熱發(fā)電的理論計算過程中引入差異化參數(shù)，計算結果更加貼近實際情況。

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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

廣州市產學研合作項目（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，主要從事太陽能熱利用和余熱利用研究。