蔣瑜毅

(華能國際長興發(fā)電廠,浙江 湖州 313000)

太陽能利用可分為光伏利用與光熱利用兩種，其中太陽能熱利用是可再生能源利用的重要途徑之一，在太陽能熱利用里面，核心技術(shù)是如何把太陽的輻射能轉(zhuǎn)變成熱能[1]。在最近幾年，隨著納米技術(shù)的不斷探索發(fā)展和在相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷探究，納米技術(shù)在導(dǎo)熱、對流換熱、熱輻射等方面的應(yīng)用越來越廣泛。本文將試驗(yàn)所制得的納米流體作為低倍率聚光試驗(yàn)臺的集熱工質(zhì)，對其集熱性能進(jìn)行試驗(yàn)與分析[2]。

1 試驗(yàn)臺簡介

本試驗(yàn)搭建了一套以納米流體為循環(huán)集熱工質(zhì)的聚焦直接吸收式太陽集熱系統(tǒng)。通過菲涅耳透鏡進(jìn)行聚光，使得工質(zhì)出口溫度達(dá)到中溫水平。該系統(tǒng)裝置連接原理圖如圖1所示。連接流程為：水箱——水泵——流量計(jì)——真空集熱管(熱電偶)——換熱器——水箱。

圖1 系統(tǒng)裝置原理圖

由入射光自動跟蹤裝置同時對太陽的高度角和方位角進(jìn)行定位轉(zhuǎn)動，使菲涅爾透鏡始終保持對太陽光線的垂直。太陽輻射經(jīng)菲涅爾透鏡聚焦后，集中投射到玻璃管中部，使集熱管充分接收太陽輻射能量。采用循環(huán)水泵將系統(tǒng)內(nèi)的工質(zhì)持續(xù)循環(huán)，經(jīng)過水泵之后分別經(jīng)過流量控制器進(jìn)入集熱真空管。納米流體按一定的速率在集熱管內(nèi)流動，工質(zhì)從玻璃管進(jìn)口到出口的流動過程中，不斷吸收太陽輻射以及與集熱管內(nèi)壁間的對流換熱而升溫。納米流體從集熱管流出后繼而進(jìn)入散熱器將熱量傳遞到循環(huán)冷卻水中，從而使集熱器的進(jìn)口溫度始終維持在初始環(huán)境溫度。整個系統(tǒng)由集熱器、雙軸跟蹤系統(tǒng)、水泵、閥門、散熱器和流量計(jì)構(gòu)成。本試驗(yàn)系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。

圖2 集熱器試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2 戶外試驗(yàn)

試驗(yàn)測量在戶外進(jìn)行，測試地點(diǎn)為上海，時間為5月中旬。試驗(yàn)當(dāng)日天氣晴朗，風(fēng)速為2～3 m/s，環(huán)境氣溫27℃左右。熱電偶最大校正偏差為±0.2℃，試驗(yàn)所用流量計(jì)精度為0.2級。試驗(yàn)時，選擇場地空曠的地區(qū)，以免高樓建筑的陰影對試驗(yàn)產(chǎn)生影響。由于存在風(fēng)速的對流換熱影響，故而在試驗(yàn)時人為設(shè)置建設(shè)屏障，減小此干擾因素。

圖3所示為集熱器出口的瞬時溫度試驗(yàn)時，通過散熱器將進(jìn)口溫度保持在27℃～27.3℃。圖4為該段時間內(nèi)太陽輻照強(qiáng)度曲線。

圖3 集熱器出口溫度

圖4 太陽輻照強(qiáng)度

5月正是初夏，太陽照射強(qiáng)度不穩(wěn)定，中間出現(xiàn)小段較大波動。在800～1 600 s，太陽輻照強(qiáng)度達(dá)到最頂峰，而三種納米流體的溫度也都急速上升，TiN-EG上升速率最快。而之后的1 600～2 000 s太陽輻照強(qiáng)度明顯減弱，而TiN-EG、C-EG兩種納米流體的溫度也出現(xiàn)明顯的下降趨勢，并在下降到一定溫度后才開始緩慢上升，TiN-H2O則是因?yàn)檫h(yuǎn)沒到達(dá)最高溫度值而能夠保持持續(xù)上升狀態(tài)，但是同樣上升趨勢明顯減緩。本次試驗(yàn)太陽輻照強(qiáng)度始終在450～700 W/m2之間浮動，就光照強(qiáng)度而言并不理想。由于太陽輻射儀所測得的太陽輻照強(qiáng)度是全輻射強(qiáng)度，而本文試驗(yàn)器材所用的菲涅爾透鏡采用的是一定角度的入射輻射，那么試驗(yàn)實(shí)際太陽輻照強(qiáng)度應(yīng)略低于測得的數(shù)值，由此看來實(shí)際的太陽輻照強(qiáng)度是低于700 W的。觀察兩圖的曲線波動情況可以看出，納米流體所能達(dá)到的溫度是由太陽輻照強(qiáng)度決定的，當(dāng)太陽強(qiáng)度過低時，會對試驗(yàn)的集熱管的工作產(chǎn)生較大的影響。

納米流體在太陽的輻射下溫度開始升溫，集熱器的出口溫度開始持續(xù)升高，在經(jīng)歷為期一小時的試驗(yàn)后，TiN-EG、C-EG、TiN-H2O三組納米流體都先后達(dá)到最高溫度，并將溫度維持在較小波動范圍內(nèi)。試驗(yàn)過程中，當(dāng)各納米流體達(dá)到相應(yīng)最高峰后，光照強(qiáng)度不同時，納米流體能達(dá)到的最高溫度也不同，所得的集熱效率也不同。集熱器流速不宜過高，過高的流速會導(dǎo)致集熱工質(zhì)在集熱管中流動時，尚未達(dá)到最高溫就已經(jīng)到達(dá)出口。故而應(yīng)多次試驗(yàn)，選擇合適的流速，即集熱工質(zhì)流量。

考慮到納米流體流速會對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響，故而試驗(yàn)采用循環(huán)加熱的方法對納米流體進(jìn)行測試。納米流體在試驗(yàn)系統(tǒng)中被循環(huán)加熱，溫度也持續(xù)上升。將納米流體的流速從1 L/h緩慢上升至5 L/h。觀察出口溫度變化后，再選擇合適的工質(zhì)流速。試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)納米流體流速維持在1 L/h至4 L/h之內(nèi)皆可使納米流體在通過集熱管的一段時間內(nèi)將溫度提升至最高，為便于計(jì)算，試驗(yàn)將工質(zhì)流速調(diào)至0.000 05 m3/s。

從圖3中可以看出，TiN-EG最先達(dá)到最高溫度43.2℃，且用時最短27 min。而CEG和TiN-H2O上升都相對較為緩慢，直到50 min時才達(dá)到最高溫度，分別為39.5℃、36.7℃。TiN-EG、CEG、TiN-H2O三組納米流體的最大溫差分別為16℃ 、12.3℃ 、9.6℃。由此可見，TiN-EG的溫升最高，TiN-H2O的溫升最低，但這受到各納米流體的比熱容影響很大，TiN-EG的比熱容最小，而TiN-H2O的比熱容最大。而三種納米流體的集熱量應(yīng)當(dāng)是各自的吸熱量，而不能用溫度來表示。所以要比較三者的集熱效率就必須進(jìn)一步計(jì)算。

試驗(yàn)過程中，集熱流體單位時間內(nèi)的吸熱量Qi[3]可計(jì)算為

(1)

式中mn——納米流體的質(zhì)量流量；cn——納米流體的比熱容；dT——單位時間內(nèi)的集熱管進(jìn)出口溫差。

聚光工況下集熱器的瞬時集熱效率ηi，可以由流體獲得的熱量與接收到的太陽輻射能之比來表示。試驗(yàn)中，單位時間內(nèi)太陽的瞬時輻射量可計(jì)算為

(2)

式中A——聚光器開口采光面積；G——太陽輻照度；V——太陽輻照儀測量所得電壓參數(shù)；ε——太陽輻照儀靈敏度。

考慮到跟蹤誤差、陰影遮擋、鏡面與集熱管污漬等各種影響因素的存在，引入聚光器光學(xué)總效率ηr加以修正，瞬時效率可計(jì)算為

(3)

式中ηi——集熱器的瞬時集熱效率；ηr——聚光器光學(xué)總效率。

聚光器光學(xué)總效率：

ηr=Trec·Tfre·Tw

(4)

式中Trec——集熱管透光率；Tfre——光學(xué)透光性；Tw——集熱器總污染系數(shù)。

以三種納米流體作集熱工質(zhì)時的集熱器瞬時功率如圖5所示。

圖5 集熱器瞬時效率

由圖5可知，TiN-EG、C-EG、TiN-H2O三種納米流體的最大瞬時功率分別為83.6%、71.2%、69.56%。平均集熱效率為一定時間段內(nèi)納米流體獲得的總熱量與接收到的太陽總輻射能之比。且經(jīng)計(jì)算，試驗(yàn)最后10 min內(nèi)，在TiN-EG、C-EG、TiN-H2O三種納米流體都已經(jīng)維持在最高溫度，且波動較小，此時平均集熱效率分別為70.8%、59.2%、57.7%。

由于太陽輻射儀所測得的太陽輻照強(qiáng)度是全輻射強(qiáng)度，而本文試驗(yàn)器材所用的菲涅爾透鏡是一定角度的入射輻射。則試驗(yàn)實(shí)際太陽輻照強(qiáng)度應(yīng)略低于測得的數(shù)值，故而計(jì)算所得的集熱器效率會略小于實(shí)際值。

3 熱損失分析

太陽輻射被透明真空管內(nèi)的納米流體吸收后，集熱器內(nèi)的溫度便會高于外界環(huán)境溫度，集熱器的內(nèi)管壁會通過輻射將熱量傳遞到外層玻璃管的內(nèi)壁Q1，同時由于內(nèi)外玻璃管之間難以保持絕對真空而產(chǎn)生熱傳導(dǎo)Q2，而后熱量通過外管壁以輻射和對流的方式散熱到外部環(huán)境中，這兩種散熱損失分別為Q3，Q4，如圖6所示。而聚光器光學(xué)總效率ηr也受到這四種散熱損失所影響[4]。當(dāng)集熱器玻璃管內(nèi)的納米流體溫度不斷上升時，散熱損失也隨之上升，則聚光器光學(xué)總效率ηr也會隨之下降。

圖6 納米流體在集熱管中吸熱與散熱原理圖

現(xiàn)假設(shè)納米流體接收太陽輻射并轉(zhuǎn)化為熱量Q0計(jì)算公式為[5]

Q0=αTgG

(5)

式中α——納米流體對太陽光的總吸收率；Tg——雙層玻璃管的透過率；Tg=0.86；G——太陽總輻射強(qiáng)度。

集熱器的內(nèi)管外壁會通過輻射將熱量傳遞到外層玻璃管的內(nèi)壁從而形成熱損失，內(nèi)、外玻璃管之間的單位管長的輻射散熱損失Q1計(jì)算公式為

(6)

式中σ——波爾茲曼常數(shù)；σ=5.67×10-8W/(m2·K4)；Tw1，Tw2——內(nèi)外玻璃管壁溫；d1，d2——內(nèi)外玻璃管直徑；d1=0.01 m，d2=0.02 m；ε1，ε2——內(nèi)外玻璃管發(fā)射率；ε1，ε2取0.9。

非理想試驗(yàn)下，本試驗(yàn)中內(nèi)外層玻璃管間實(shí)際必然會有微量空氣存在，內(nèi)外管之間的非真空導(dǎo)熱損失Q2也必然存在。但此散熱損失相較于內(nèi)外玻璃管之間的輻射散熱損失而言非常小，故而在實(shí)際試驗(yàn)計(jì)算推導(dǎo)中可以忽略不計(jì)。

外層玻璃管對環(huán)境的輻射散熱損失Q3的計(jì)算公式為

(7)

由于外界環(huán)境具有一定的空氣流動，即戶外試驗(yàn)時的空氣中的風(fēng)速對試驗(yàn)存在擾動，外管壁與環(huán)境中空氣的對流散熱損失Q4計(jì)算公式為

Q4=hfπd2(T2-Ta)

(8)

(9)

式中Vw——外界風(fēng)速；Va——空氣運(yùn)動粘度；Ta——外界溫度。

本試驗(yàn)中，為減少外管壁與環(huán)境中空氣的對流散熱損失Q4，故而在試驗(yàn)時認(rèn)為設(shè)置建設(shè)屏障，可將對流散熱損失忽略不計(jì)。

集熱過程的總散熱損失QL的計(jì)算公式為

QL=Q1+Q2=Q3+Q4

(10)

以集熱效率相對最高的TiN-EG為例，納米流體穩(wěn)定在最高溫后，當(dāng)其處于最高集熱效率點(diǎn)時，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(10)，可得：

吸熱量：Q0=2.59 J

太陽輻射量：QG=4.35 J

內(nèi)、外玻璃管之間的輻射散熱損失：Q1=1.57 J

真空導(dǎo)熱損失：Q2=0 J

外層玻璃管對環(huán)境輻射散熱損失：Q3=1.54 J

對流散熱損失：Q4=0 J

總散熱損失：QL=1.76 J

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，所得數(shù)值存在少量偏差，但基本符合規(guī)律。由計(jì)算結(jié)果可以看出，集熱器效率未達(dá)100%，主要由散熱損失造成，其余熱損失應(yīng)為聚光偏離損失，無法計(jì)算。因此，減少散熱損失也是提高集熱器效率的有效手段。

4 結(jié)語

(1)三種不同材料的納米流體在接受相同光照條件的情況下，雖然溫度上升的速率不同，但從上升達(dá)到平穩(wěn)趨勢所需要的時間基本相同，在1 600 s左右。

(2)納米流體所能達(dá)到的溫度是由太陽輻照強(qiáng)度決定的，故而，當(dāng)太陽強(qiáng)度過低時，會對試驗(yàn)的集熱管的工作產(chǎn)生較大的影響。

(3)相同體積分?jǐn)?shù)和相同光程的情況下，氮化鈦—乙二醇相比于氮化鈦-水和碳化鈦—乙二醇有著更好的吸收特性，所以三者相比而言，氮化鈦—乙二醇更適合作為低倍率聚光試驗(yàn)裝置的集熱工質(zhì)。

(4)通過熱損失計(jì)算分析，集熱器效率主要受到內(nèi)、外玻璃管之間的輻射散熱損失，真空導(dǎo)熱損失，外層玻璃管對環(huán)境輻射散熱損失，對流散熱損失的共同影響，集熱器效率未達(dá)100%，主要由散熱損失造成，其余熱損失應(yīng)為聚光偏離損失，無法計(jì)算。所以減少散熱損失也是提高集熱器效率的有效手段。