趙曉凱

1. 上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070 2. 上海電氣分布式能源科技有限公司 上海 200070

線聚焦菲涅耳太陽能集熱、蓄熱空調(diào)系統(tǒng)的仿真模擬

趙曉凱1，2

1. 上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070 2. 上海電氣分布式能源科技有限公司 上海 200070

概述了由線聚焦菲涅耳集熱器、單/雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)、高溫熔鹽蓄熱罐，以及其它輔助設(shè)備組成的太陽能集熱、蓄熱空調(diào)系統(tǒng)，對菲涅耳集熱器的集熱性能、單/雙效吸收式制冷機(jī)的制冷性能，以及整個(gè)系統(tǒng)在夏季典型工況下的運(yùn)行情況進(jìn)行了模擬與研究。研究結(jié)果表明：系統(tǒng)能夠根據(jù)太陽輻照強(qiáng)度的不同和用戶實(shí)際的使用需求有針對性地運(yùn)行，具有較好的靈活性與可靠性，為中溫太陽能的熱利用提供了參考。

線聚焦菲涅耳集熱器； 單/雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)； 太陽能； 仿真

1 課題背景

線聚焦菲涅耳集熱器是在槽式集熱器[1]的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種聚光型集熱器，具有集熱溫度高、系統(tǒng)復(fù)雜性小、搭建維護(hù)性好等特點(diǎn)，在太陽能發(fā)電、制冷等領(lǐng)域應(yīng)用具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

當(dāng)前線聚焦菲涅耳太陽能集熱器更多著眼于高溫發(fā)電領(lǐng)域，在中溫領(lǐng)域的研究和應(yīng)用不足。Bermejo[2]等人建立了一個(gè)由線聚焦菲涅耳集熱器驅(qū)動的雙效吸收式空調(diào)系統(tǒng)，制冷功率為180kW，日平均集熱效率為35%，最高集熱效率為40%，制冷機(jī)日平均能效比約為1.1。此外，Chemisana等[3-4]研究了基于線聚焦的中溫太陽能空調(diào)系統(tǒng)，所產(chǎn)生的熱量供給雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)，并與基于真空管集熱器的單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)進(jìn)行對比，指出菲涅耳集熱式太陽能空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)勢與不足。

Pincemin等[5]制備了應(yīng)用于太陽能熱發(fā)電溫區(qū)的膨脹石墨和無機(jī)鹽復(fù)合材料。Adine、Qarnia[6]給出了利用殼管式換熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行相變蓄熱的系統(tǒng)數(shù)值模擬方法，并比較了使用一種相變材料與使用兩種不同相變材料的相變換熱系統(tǒng)的蓄熱性能，同時(shí)分析了影響蓄熱的關(guān)鍵因素。

基于以上研究背景，筆者設(shè)計(jì)搭建了由線聚焦菲涅耳集熱器驅(qū)動的集熱、蓄熱空調(diào)系統(tǒng)，采用最新研發(fā)的單/雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)及以三元熔鹽[7]為蓄熱材料的蓄熱罐，通過模擬與試驗(yàn)對系統(tǒng)性能進(jìn)行了研究。

2 系統(tǒng)組成

太陽能集熱、蓄熱空調(diào)系統(tǒng)位于上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院，主要由4部分組成：線聚焦反射式菲涅耳太陽能集熱器、單/雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)、熔鹽蓄熱罐和自動監(jiān)控系統(tǒng)。此外，系統(tǒng)還包括冷卻塔、板式換熱器、電加熱器、風(fēng)機(jī)盤管與管道，以及其它輔助設(shè)備。

2.1 線聚焦菲涅耳太陽能集熱器

太陽能集熱器選用線聚焦反射式菲涅耳太陽能集熱器，原理如圖1所示，系統(tǒng)安裝及聚光效果如圖2所示，設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖1 線聚焦菲涅耳太陽能集熱器原理圖

圖2 集熱器安裝及聚光效果

表1 菲涅耳太陽能集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)

腔體吸收器具有多種形式，方形腔體吸收器的光學(xué)效率僅低于圓弧形腔體吸收器[8]，且具有易于加工和安裝的特點(diǎn)。綜合考慮，選用方形腔體吸收器作為試驗(yàn)系統(tǒng)的吸收器結(jié)構(gòu)形式，其設(shè)計(jì)圖與實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 方形腔體吸收器

2.2 單/雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)

溴化鋰制冷機(jī)選用一臺由太陽能驅(qū)動的新型單/雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)，其原理與實(shí)物如圖4所示。

圖4 單/雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)

該吸收式制冷機(jī)采用熱水驅(qū)動，在太陽能熱源溫度較低時(shí)以單效模式運(yùn)行，隨著線聚焦菲涅耳太陽能集熱器出口工質(zhì)溫度的提高，可以自動切換至雙效模式，以提高太陽能的利用效率，在最大程度上提高系統(tǒng)的平均能效比。根據(jù)模擬結(jié)果，當(dāng)熱水進(jìn)口溫度高于85℃時(shí)，制冷機(jī)以單效模式運(yùn)行，額定制冷功率為91kW，此時(shí)機(jī)組能效比約為0.6；而當(dāng)制冷機(jī)的熱水進(jìn)口溫度高于145℃時(shí)，制冷機(jī)以雙效模式工作，額定最大設(shè)計(jì)制冷功率為134kW，機(jī)組能效比可達(dá)1.1～1.2。溴化鋰制冷機(jī)主要性能參數(shù)見表2。

表2 溴化鋰制冷機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 高溫熔鹽蓄熱罐

蓄熱系統(tǒng)為溴化鋰制冷機(jī)單效工況運(yùn)行提供2h 的熱源。導(dǎo)熱油從熔鹽罐中吸熱后，通過板式換熱器和水進(jìn)行換熱，為制冷機(jī)提供熱源。制冷功率為91kW，蓄熱系統(tǒng)蓄放熱效率為80%，板式換熱器效率為95%，制冷機(jī)單效工況下的能效比為0.6。

蓄熱量為：

Qin=91×2×3600/0.6/0.76=1437MJ

放熱量為：

Qout=91×2×3600/0.6/0.95=1150MJ

根據(jù)熔鹽的物性參數(shù)，可以得到熔鹽的質(zhì)量：

(1)

式中：T為放熱過程中熔鹽的顯熱換熱溫差，設(shè)計(jì)值取40K；H為熔鹽相變潛熱，75.3kJ/kg；Cp為熔鹽比熱容，1.424kJ/(kg·K)。

蓄熱材料密度約為 1978kg/m3，則體積為 4.4m3，考慮10%的余量，熔鹽儲熱罐體積約為4.84m3。綜合考慮蓄熱材料技術(shù)的成熟度、系統(tǒng)成本等因素，儲熱裝置采用管殼式換熱器罐體結(jié)構(gòu)，熔鹽材料置于圓柱罐體內(nèi)，管內(nèi)通過高溫導(dǎo)熱油來進(jìn)行蓄放熱。蓄熱罐實(shí)物如圖5所示。

圖5 蓄熱罐實(shí)物圖

2.4 輔助設(shè)備

(1) 板式換熱器。圓殼式板式換熱器用于導(dǎo)熱油和熱水之間的熱量交換。板式換熱器的計(jì)算以太陽能直驅(qū)供冷模式下的技術(shù)參數(shù)為主要參考依據(jù)，最終確定板式換熱器的設(shè)計(jì)換熱功率為145kW；承壓水進(jìn)口溫度為150℃，出口溫度為140℃，流量為3kg/s；導(dǎo)熱油進(jìn)口溫度為 200℃，出口溫度為180℃，流量為2.92kg/s ；換熱面積為3m2，壓降為 0.05MPa。

(2) 電加熱器。系統(tǒng)采用一臺加熱功率為30kW 的電加熱器，主要用于夜間谷電價(jià)期間對蓄熱裝置進(jìn)行蓄熱，并且在太陽能不足時(shí)作為輔助加熱熱源對系統(tǒng)進(jìn)行熱量補(bǔ)充。

(3) 膨脹罐。由于整個(gè)系統(tǒng)以導(dǎo)熱油為加熱工質(zhì)，被加熱后會發(fā)生體積膨脹，因此需要設(shè)計(jì)膨脹罐用于滿足系統(tǒng)中導(dǎo)熱油因受熱膨脹而導(dǎo)致的體積增大，保證系統(tǒng)安全。

(4) 儲油槽。儲油槽主要用于各次注油結(jié)束后儲存一定的備用油量，同時(shí)在排油檢修時(shí)用于蓄存系統(tǒng)內(nèi)的油量，避免導(dǎo)熱油接觸空氣發(fā)生變質(zhì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱油的循環(huán)使用。

3 系統(tǒng)工作模式

系統(tǒng)原理如圖6所示，按照流體工質(zhì)及功能的不同，可分為兩大子系統(tǒng)，兩大子系統(tǒng)以板式換熱器為界，分別為熱源導(dǎo)熱油子系統(tǒng)和空調(diào)水子系統(tǒng)。熱源導(dǎo)熱油子系統(tǒng)由菲涅耳集熱器、蓄熱罐及電加熱器組成?？照{(diào)水子系統(tǒng)由制冷機(jī)、冷卻塔及相應(yīng)的末端設(shè)備組成。

圖6 太陽能集熱、蓄熱及空調(diào)系統(tǒng)原理示意圖

系統(tǒng)工作模式如圖7所示，熱源導(dǎo)熱油子系統(tǒng)按照熱源驅(qū)動和熱源蓄能方式的不同，可采用六種運(yùn)行模式，運(yùn)行模式之間主要依靠電磁閥來實(shí)現(xiàn)自動切換。此外，整個(gè)子系統(tǒng)還設(shè)有注、排油工作模式，用于進(jìn)行試驗(yàn)前后的注、排油，這一模式采用手動截止閥開關(guān)控制?？照{(diào)水子系統(tǒng)按照輸入制冷機(jī)的熱水溫度分為單效模式和雙效模式。

圖7 系統(tǒng)工作模式示意圖

由上所述，對系統(tǒng)的工作模式做如下說明。

(1) 太陽能直驅(qū)模式。在白天日照充足的情況下，集熱器吸收的太陽能可直接驅(qū)動制冷機(jī)運(yùn)行，熔鹽蓄熱罐被旁通，集熱器吸收的熱量通過板式換熱器直接傳至制冷機(jī)。

(2) 太陽能驅(qū)動+分流蓄熱模式。在白天日照充足的情況下，集熱器吸收的太陽能滿足直接驅(qū)動制冷機(jī)所需的熱量，且有部分多余熱量，此時(shí)，連通熔鹽蓄熱罐，將多余的熱量進(jìn)行存儲。

(3) 蓄熱直驅(qū)模式。系統(tǒng)從早上6：00自動開機(jī)，到8：00需要制冷，此時(shí)間段的集熱量不足以使太陽能集熱器的集熱溫度達(dá)到驅(qū)動制冷機(jī)所需的最低溫度。此外，當(dāng)系統(tǒng)遇到短時(shí)陰雨天氣時(shí)，太陽能集熱器也會無法工作。出現(xiàn)上述情況時(shí)，在熔鹽蓄熱罐內(nèi)蓄有足夠熱量的條件下，系統(tǒng)開啟蓄熱直驅(qū)模式，此時(shí)，太陽能集熱循環(huán)被旁通，由蓄熱罐內(nèi)熔鹽放熱提供系統(tǒng)所需熱量。

(4) 太陽能+蓄熱驅(qū)動模式。太陽能集熱器在中午的集熱量最大，在下午則隨著輻照度的減小和集熱器熱損的增大，集熱溫度和集熱量逐漸下降，與此同時(shí)，由于室內(nèi)負(fù)荷的延遲性，一般在下午時(shí)段仍然有較高的負(fù)荷，因此，當(dāng)集熱器的集熱量不足時(shí)，開啟蓄熱環(huán)路，對輸入制冷機(jī)的熱量進(jìn)行補(bǔ)充。

(5) 夜間蓄熱模式。在晚間10：00至第二天凌晨的時(shí)間段內(nèi)，可充分利用峰谷電的電價(jià)優(yōu)惠政策，采用電加熱對蓄熱罐進(jìn)行蓄熱。

(6) 太陽能蓄熱模式。當(dāng)白天日照充足，且空調(diào)水子系統(tǒng)無需開機(jī)工作時(shí)，太陽能集熱器所吸收的太陽能將直接供給蓄熱熔鹽罐，以達(dá)到蓄熱的目的。

4 理論分析

在本次模擬中，采用穩(wěn)態(tài)模型對系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，針對模型中的主要模型部件做以下假設(shè)。

(1) 對于集熱器而言，除集熱器熱損外，不計(jì)各連接管道間的損失，并忽略集熱器腔體壁、管壁的熱容。

(2) 對于制冷機(jī)而言，認(rèn)為高壓發(fā)生器、低壓發(fā)生器及吸收器的出口溶液處于飽和狀態(tài)，冷凝器出口冷劑水與蒸發(fā)器的出口冷劑蒸汽處于飽和狀態(tài)，且發(fā)生器內(nèi)無熱量損失，蒸發(fā)器內(nèi)無冷量損失。

(3) 不計(jì)工質(zhì)在流動管道中的熱量和壓力損失。

(4) 不計(jì)各溫度、壓力傳感器在測量過程中的測量誤差。

4.1 集熱器光學(xué)性能

計(jì)算菲涅耳太陽能集熱器的光學(xué)性能時(shí)，首先由文獻(xiàn)[9]計(jì)算得到太陽的高度角αs和方位角γs。參考杜春旭等[10]對于東西放置南北跟蹤的菲涅耳太陽能聚光系統(tǒng)跟蹤傾角的研究，計(jì)算得到適用于本系統(tǒng)的鏡面傾角β，以及光線的入射角θ。在已知純光學(xué)效率η0[11]的前提下，考慮由集熱器結(jié)構(gòu)決定的余弦效率ηy、截?cái)嘈师莚及陰影遮擋效率(經(jīng)分析，陰影遮擋效率在0.95以上，故可忽略不計(jì))，得到系統(tǒng)的總光學(xué)效率：

ηopt=η0ηyηr

(2)

4.2 集熱器集熱性能

對于集熱器而言，吸收熱量的地方為腔體吸收器，其部件性能參數(shù)見表3。集熱器吸收的熱量等于投射到吸收器表面的熱量與吸收器自身的熱量損失之差，故根據(jù)能量平衡方程有：

Q=moCp1(T0-Ti)=AcIbηopt-Qloss

(3)

式中：mo為導(dǎo)熱油流量，kg/s；Cp1為導(dǎo)熱油比熱容，J/(kg·K)；Qloss為腔體吸收器的熱損失，W；Ac為聚光器的有效聚光面積，m2；Ib為直射輻射輻照度，W/m2；Ti為集熱器進(jìn)口工質(zhì)溫度，K;T0為集熱出口工質(zhì)溫度，K。

表3 腔體吸收器部件性能參數(shù)

腔體吸收器的熱量損失主要有輻射、對流及傳熱三部分，結(jié)合吸收器的熱量損失，吸收器得到的熱能可以表示為：

Q=η0AcIb-Aa[εaσ(Ts4-Tenv4)+

(4)

式中：h為腔體開口處自然對流換熱系數(shù)，W/(m2· K)；λ為保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；L為保溫材料的有效厚度，m；σ為斯特藩-玻耳茲曼常量，5.67×10-8Wm2/K4；εa為吸收器表面發(fā)射率；Aa為腔體吸收器的開口面積，m2；Ae為吸收面有效導(dǎo)熱面積，m2；Tenv為環(huán)境溫度，K；Ts為腔體吸收器表面溫度，K。

腔體吸收器的表面溫度由式(5)得到：

(5)

對于成像聚光系統(tǒng)而言，熱損可認(rèn)為與吸收器和環(huán)境溫差成正比[12]，因此集熱器熱損可表示為：

Qloss=ULAa(Ts-Tenv)

(6)

式中：UL為熱損系數(shù)，W/(m2·K)。

根據(jù)式(4)和式(6)，可以得到腔體吸收器熱損系數(shù)的表達(dá)式：

(7)

由式(4)可知，熱損系數(shù)是與輻射、對流、導(dǎo)熱有關(guān)的函數(shù)，式中h是與材料物性及吸收器表面的空氣流動狀態(tài)相關(guān)的量，對于仿真模擬過程而言是未知量，且式中的腔體表面溫度Ts是無法得知的。因此，一般只能通過試驗(yàn)測量和計(jì)算得到熱損與吸收器進(jìn)口工質(zhì)溫度的關(guān)系，進(jìn)而在模擬計(jì)算中使用熱損系數(shù)UL。

通過測量集熱器的進(jìn)出口工質(zhì)溫度Ti、To，可得腔體吸收的熱量Q，進(jìn)而由式(3)得到腔體熱量損失Qloss，由式(6)得到吸收器腔體熱損系數(shù)UL。經(jīng)過試驗(yàn)測量，利用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到集熱器熱損系數(shù)與工質(zhì)進(jìn)口溫度的相對關(guān)系式：

UL=5.311e0.0117Ti

(8)

集熱器的集熱效率可以表示為在穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件下，集熱器工質(zhì)在某時(shí)刻有效能量收益與同一時(shí)刻聚光器有效面積接收到的太陽輻照量之比，即：

(9)

相應(yīng)的，腔體吸收器的吸熱效率定義為腔體吸收的熱量與投射到腔體表面的總熱量之比：

(10)

根據(jù)吸收器的能量平衡方程，由式(4)、式(7)可以得到：

m0Cp1(T0-Ti)=ηoptIbAc-ULAa(Ts-Tenv)

(11)

則：

(12)

將出口溫度To代入式(9)、式(10)，得到相應(yīng)的集熱器集熱效率和腔體吸收器的吸熱效率。

太陽能集熱器的瞬時(shí)集熱效率可以由系統(tǒng)的歸一化溫差來進(jìn)行評判，利用傳熱介質(zhì)的平均溫度，歸一化溫差表示為：

(13)

5 模擬結(jié)果與分析

夏季典型工況下的全天運(yùn)行模擬情況如圖8～圖10所示。從早上開始，由于集熱工質(zhì)初溫低、太陽輻照度小，因此集熱溫度較低，無法驅(qū)動制冷機(jī)運(yùn)行，在此情況下由蓄熱罐驅(qū)動制冷機(jī)，以單效模式運(yùn)行。隨著時(shí)間的推移，集熱工質(zhì)溫度升高，當(dāng)蓄熱罐運(yùn)行約2h后，集熱器內(nèi)的工質(zhì)溫度達(dá)到可以驅(qū)動制冷機(jī)的程度(即85℃以上)，此時(shí)，由太陽能集熱器驅(qū)動制冷機(jī)運(yùn)行。隨著溫度的進(jìn)一步升高，運(yùn)行模式由單效變?yōu)殡p效。在中午時(shí)段，可維持2～3h的雙效制冷模式，在此時(shí)段，當(dāng)熱水溫度高于150℃時(shí)，可同時(shí)開啟蓄熱模塊，將多余熱量蓄存。進(jìn)入下午時(shí)段，集熱器集熱量減小、集熱溫度降低，制冷機(jī)轉(zhuǎn)為單效模式。運(yùn)行至下午5：00以后，集熱溫度低于驅(qū)動制冷機(jī)的最低溫度，此時(shí)檢測熔鹽罐內(nèi)熔鹽的均溫，啟動蓄熱罐放熱模式，系統(tǒng)在兩者的結(jié)合模式下運(yùn)行。

圖8 制冷機(jī)熱水進(jìn)出口溫度變化曲線

圖9 制冷機(jī)能效比變化曲線

圖10 制冷機(jī)冷凍水溫度變化曲線

6 結(jié)論

仿真了由線聚焦菲涅耳太陽能驅(qū)動的集熱、蓄熱空調(diào)系統(tǒng)，對系統(tǒng)的能量利用進(jìn)行了理論分析，對系統(tǒng)的運(yùn)行模式進(jìn)行建模，并以MATLAB軟件為計(jì)算平臺進(jìn)行了模擬計(jì)算，得到以下結(jié)論。

(1) 模擬了系統(tǒng)在夏季典型工況下運(yùn)行的全天集熱溫度，經(jīng)過板式換熱器熱交換，得到的熱水最高溫度約160℃，全天平均集熱溫度約120℃，熱水溫度能夠滿足驅(qū)動單/雙效制冷機(jī)的要求。

(2) 得到了制冷機(jī)在輸入熱水溫度變化條件下的運(yùn)行情況，單效模式下能效比約0.6，冷凍水出口溫度為8.4℃。當(dāng)熱水溫度高于145℃時(shí)，在雙效模式下運(yùn)行，能效比能夠達(dá)到1.2，冷凍水出口溫度為7℃。

(3) 通過模擬與試驗(yàn)確認(rèn)，由太陽能驅(qū)動的空調(diào)系統(tǒng)在節(jié)約能源的基礎(chǔ)上，較好地做到了為建筑物等提供冷量。在夏季典型工況下，全天有2～3h 以雙效模式運(yùn)行，制冷效率高，其余時(shí)間以單效模式運(yùn)行。在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加蓄熱模塊之后，對系統(tǒng)的運(yùn)行起到了平衡的作用，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性和可靠性。

(4) 由模擬與試驗(yàn)對比驗(yàn)證了系統(tǒng)模擬的正確性，而準(zhǔn)確性有待提高，其原因在于模擬的過程中，對管道中各種壓力及熱量損失均忽略不計(jì)、實(shí)際的氣象參數(shù)與模擬數(shù)值具有一定的差異、溫度測量過程中存在誤差等。對于模擬中的精確性差異，可視今后的運(yùn)行情況進(jìn)行適當(dāng)修正。

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Provided a general description of heat collection with solar energy and thermal storage air conditioning system that is composed of Fresnel collectors with line focusing， single/double-effect lithiumbromide-absorption refrigerating machine, high-temperature molten salt heat storage tank and other auxiliary equipment. The heat collection performances of Fresnel collector，cooling performance of single/double-effect absorption refrigerating machine and the operating condition of the overall system under ideal conditions in summer were simulated and investigated. Studies have shown that：The system can run in accordance with different intensity of solar irradiation and users demand in practical use with sound flexibility and reliability and can provide a reference for medium-temperature heat utilization of solar energy.

Fresnel Heat Collector with Line Focusing； Single/double-effect Lithiumbromide-absorption Refrigerating Machine； Solar Power； Simulation

2016年5月

趙曉凱(1990— )，男，碩士，助理工程師，主要從事微網(wǎng)設(shè)計(jì)及規(guī)劃工作， E-mail: zhaoxk@shanghai-electric.com

TM615；TP271

A

1674-540X(2016)04-036-07