南京工業大學:微型拋物槽式太陽能集熱器集熱特性研究

時間:2020-08-11 16:52來源:國家光熱聯盟

  摘要:為將太陽能集熱器與建筑結合,提高集熱品位,滿足中溫熱能需求,設計了一款聚光比為3.4、高度僅為120 mm的微型拋物槽式集熱器,建立了該集熱器的熱力學理論模型和計算流體動力學(CFD)仿真模型,研究了集熱特性,并從太陽輻照度、入口工質溫度、進口工質流速、環境溫度等方面探討相關操作參數對集熱溫度和集熱效率的影響規律。研究發現太陽輻照度以及進口工質溫度是影響熱效率的主要因素,而工質流速、環境溫度對該集熱器熱效率影響較小,集熱器瞬時熱效率可達67.23%,循環加熱的工質溫度在200 ℃以內,平均熱效率較高。且在輻照度較弱的天氣仍能良好運行,既能提供中溫熱能,克服不良環境因素的影響,又實現了太陽能建筑一體化。

  關鍵詞:槽式聚光器;微型集熱器;數值模擬;集熱效率

  太陽能以其高效清潔、分布廣泛、儲量豐富等優點已被廣泛應用。如太陽能熱水器由于其節能可靠、易于與建筑結合等優點,應用最為廣泛,但其集熱溫度低,一般僅用于生活熱水供給等場合;而大型太陽能聚光器可產生中高溫熱能,熱品位高,可廣泛應用于工業、發電等領域。但其空間占有量大、填充因子較小、投資成本高。若將聚光型太陽能集熱器與平板式太陽能熱水器的優點相結合,設計出微小型的太陽能聚光器,既可提供中溫熱能,也可充分利用建筑空間資源,實現太陽能與建筑一體化,降低建筑能耗。

  國內外有很多科研工作者已經開展了相關研究工作。Walter等[1]公司設計了一款微小型線性菲涅爾聚光器,該聚光器聚光比高、質量輕、高度低,安裝在屋頂上,其熱效率為48%,光學效率可達75%,且單位面積的系統安裝費用較低,并于2011年實現商業化;Dhakal等[2]受生物復眼啟發,設計了一款厚度僅為11 mm的平板式太陽能聚光器,聚光比可達39,但由于結構復雜,加工困難,仍處于研究階段;Gu等[3]提出一種新型便攜式CPC(復合拋物面聚光器)太陽能集熱器,光學效率高,無需跟蹤,成本低廉,集熱溫度可達250 ℃;Li等[4]設計了一種雙透鏡的平板式太陽能聚光器,高度僅為100 mm,且CPC可左右移動實現對太陽的實時跟蹤,光學效率可達72%,集熱效率約為50%,集熱溫度達到220 ℃;李開春等[5]對平板型太陽集熱器的熱損失進行了理論分析,并建立了數學模型,計算熱損失系數。

  綜上所述,國內外對太陽能集熱器的研究成果頗豐,但技術難題依然存在。為了實現空間資源的充分利用,對于集熱器微型化的研究較多,主要聚光類型為CPC以及菲涅爾式。而較少有人將拋物槽微小型化,與平板型集熱器結合,取代吸熱板,使集熱器聚光比達到3.4,提供中溫熱利用,并與建筑良好契合。

  設計了一種微型拋物面槽式聚光集熱器,其高度僅為120 mm、體積較小且聚光比為3.4,并對其熱力學效率進行理論計算,對不同工況下集熱器的熱效率進行討論,采用Fluent模擬計算來驗證理論模型的準確性,為微小型拋物面槽式聚光集熱器與建筑的一體化應用提供理論依據。

  1 微型拋物面槽式聚光集熱器設計

  微型拋物面槽式聚光集熱器由若干個微型拋物面槽式反射鏡組合而成,考慮到安裝誤差等因素,相鄰兩槽式反射鏡面之間存在一定的間隙;為了實現槽式反射鏡面對太陽的一維跟蹤,將拋物槽的焦線、拋物槽的旋轉軸線與集熱管軸線三者重合,因而在集熱管保持不動的情況下,通過驅動機構(此處選用齒輪齒條機構)驅動拋物槽旋轉;集熱管采用紫銅管,外表面涂有選擇性吸收涂層;為保持反射鏡面清潔度,將拋物槽、集熱管和跟蹤裝置封裝于扁盒狀的腔體內,上層為玻璃蓋板,側面和底面為保溫層。微型拋物面槽式聚光集熱器的原理圖如圖1所示,具體參數如表1所示。

1一拋物面槽式反射鏡面;2一齒條;3一齒輪;4一集熱管;5一保溫層;6一玻璃蓋板。

圖1 微型拋物面槽式聚光集熱器結構

表1 微型拋物面槽式聚光集熱器參數

Table 1 Parameters of the micro parabolic trough concentrator

  2 集熱器的熱力學分析

集熱特性是太陽能集熱器的重要性質之一。圖2為本文所設計的太陽能集熱器能量交換關系示意圖。

圖2 微型平板集熱器的熱分析模型

入射的平行光束,大部分透過玻璃蓋板聚集到集熱管上,較少被玻璃吸收和反射,集熱管壁上的能量大部分被吸收轉換為導熱油的內能,較少被反射回玻璃。由于集熱管溫度升高,對外熱輻射增大。同時,玻璃蓋板和殼體向外界傳輸熱量,造成集熱器的熱損失[6]。為研究其集熱特性,分別以玻璃蓋板、工質和集熱管為研究對象,建立了熱力學理論模型。建模時,忽略了空氣和拋物槽吸收的熱量。另外,所有物性參數如表2所示,如玻璃和導熱油的比熱容等,均視為常數。

玻璃蓋板某一瞬時吸收的凈能量等于其吸收的入射能量與集熱管對其輻射的能量和,減去其外部輻射換熱與對流換熱的能量。

Achc(Tc-ta)

(1)

式中:Ac為玻璃蓋板的面積,m2Mc為玻璃蓋板的質量,kg;Tc為玻璃蓋板的溫度,K;σ為斯特潘-玻爾茲曼常數;qr/c為玻璃蓋板與集熱器的輻射傳熱效率。

玻璃蓋板吸收的能量q0

q0=c

(2)

式中I為太陽直接輻射,W/m2

根據文獻[7]可得玻璃蓋板與集熱器的輻射傳熱速率qr/c

(3)

式中Tr為集熱管的溫度,K。

集熱管某一瞬時吸收的凈能量等于其吸收的入射能量之和,減去其對外輻射能量、與外部空氣換熱能量以及被導熱油吸收的能量之和

(4)

表2 集熱器理論模型參數

Table 2 Theoretical model parameters of heat collector

式中W1為透過玻璃蓋板被集熱器吸收的太陽輻射,由集熱管上表面吸收的能量以及集熱管下表面吸收的能量組成,該方程為

W1=0.5Arcas+0.5Arcas fC

(5)

集熱管下表面的聚光比C′為

(6)

集熱管內導熱油吸收的凈能量等于集熱管與導熱油對流換熱的能量

hqAr′(Tr-tin)=CqMq(Tq-tin)

(7)

式中:Mq為導熱油的質量流量,kg/m2Tq為導熱油的溫度,K。

工質流量等于工質密度、集熱管截面積、流動速度的乘積

Mq=ρπv

(8)

式中v為導熱油流動速度,m/s。

集熱器的熱效率等于管內工質獲得的能量與集熱器接收的能量之比為

(9)

集熱器的聚光比等于接收太陽輻射的面積(玻璃蓋板的面積)與集熱管面積的比值

(10)

  3 模擬計算

  3.1 網格劃分及邊界條件

為驗證理論模型的合理性和正確性,采用CFD軟件對所設計的集熱器集熱特性進行模擬計算。筆者采用ANSYS ICEM建立幾何模型并進行網格劃分,本模型共3個計算域:固體域、液體域、空氣域,將三者組裝導入Fluent中,選擇壓力求解器,開啟能量方程、選用層流模型,打開DO輻射模型模擬集熱器內部各個表面之間的輻射換熱,能量方程收斂標準設定為10-7,運用SIMPLE算法對集熱器內外部能量流動進行三維數值模擬。經網格無關性驗證,在滿足計算精度的前提下,網格總數為322萬個,總網格劃分如圖3所示,由理論計算得出玻璃蓋板的熱力學影響較小,因此模擬計算時只考慮了其光學損失。

圖3 熱力學計算模型

入口邊界為速度入口邊界、出口邊界為壓力出口。工質為導熱油,導熱系數為0.458 W/(m·K),動力黏度為0.021 5 Pa·s,導熱油入口初始溫度 298 K,各壁面以及環境溫度為293 K,集熱管材料為銅,其余各物性參數與理論模型一致,不再贅述。

  3.2 太陽輻照度與環境溫度對集熱器熱效率的影響

圖4 不同太陽輻照度下的熱效率

圖5 不同太陽輻照度下的出口溫差

太陽輻照度是集熱器的熱源,對系統的熱效率至關重要。不同太陽輻照度下的熱效率、出口溫差分別如圖4和5所示,當工質流速為0.05 m/s,環境溫度為293 、298 、303 、308 K,太陽輻照度從400 W/m2升至1 kW/m2時,集熱器的熱效率分別增加了5.48%、5.56%、5.71%、5.75%,導熱油出口溫度分別提高了36.18、36.64、37.10、37.52 ℃,由此可知,提高太陽輻射照度,能夠有效提高集熱器的熱效率以及工質出口溫度。且在清晨或者夜晚以及多云陰雨氣候[8],太陽輻射強度都比較低,一般的集熱器熱接收不到充足的能量,導致熱效率降低,影響其高效運行,從而需要補充能源。而本文設計的集熱器聚光比達到3.4,在輻照度較低的天氣下,依舊能有效運行。

太陽輻照度分別為400、600、800、900 W/m2、1 kW/m2 時,環境溫度從293 K提高至308 K時,集熱器的熱效率分別增加了2%、2.31%、2.18%、2.11%、2.09%,導熱油的出口溫度分別提高了0.73、1.26、1.59、1.73、2.06 ℃,環境溫度的升高,降低了玻璃管壁與外界的對流換熱和輻射換熱強度,熱損失的減少使熱效率增加,但由于集熱器的保溫性能較好,環境溫度對集熱器的熱效率以及進出口溫差影響較小。

  3.3 進口工質流速對集熱器效率的影響

圖6為太陽輻照度為1 kW/m2、環境溫度293 K、工質流速0.015 m/s時集熱器內部溫度分布云圖。其中集熱管壁溫度最高,導熱油受熱溫度沿蛇形管遞增,如圖7、8所示,流速從0.02 m/s增至0.05 m/s時,熱效率增加了8.11%,出口溫差降低了68.38 ℃,導熱油流速的增大,減少了導熱油在管道內集熱的時間,降低了其出口溫度。由于流速的加快,增大了集熱管與導熱油的對流換熱系數,強化了換熱能力,從而提高了集熱器的熱效率。

圖6 集熱管溫度云圖

圖7 導熱油不同流速時集熱器的熱效率

圖8 導熱油不同流速下的進出口溫差

  3.4 工質進口溫度對集熱器熱效率的影響

導熱油進口溫度是衡量集熱器集熱性能的重要影響因素。圖9、10分別為1 kW/m2、0.05 m/s、293 K工況下進口溫度對集熱效率以及進出口溫差的影響規律。隨著進口溫度的升高,集熱管溫度升高,與環境間的輻射和對流熱損增大,導致集熱效率降低,進出口溫差降低。進口溫度由25 ℃升高至100 ℃,集熱效率降低了6.79%,進出口溫差降低了6.17 ℃;進口溫度從100 ℃上升到200 ℃,集熱效率由55.85%降低至36.18%;進口溫度為145 ℃時,理論集熱效率約為51.43%,出口溫差46.74 ℃,故集熱溫度控制在200 ℃以內,能夠獲得較高的平均熱效率。

圖9 不同進口溫度下集熱器的熱效率

圖10 不同進口溫度下集熱器進出口溫差

  3.5 歸一化分析

圖11 Fluent模擬和熱力學理論計算歸一化曲線

圖11為Fluent模擬和熱力學理論計算歸一化曲線,當歸一化溫差值逐漸增大時,瞬時熱效率逐漸減小。當歸一化溫差為0時,集熱器熱效率達到峰值67.23%。

對比分析圖4至圖10中模擬仿真和理論計算曲線,發現理論計算的熱效率值較高,而進出口溫度相差較小。這是由于理論模型中忽略了集熱器底部與周圍環境之間的熱輻射和熱對流,以及保溫材料與殼體之間的熱交換等。當集熱器內部升溫時,這些熱損失也隨之有小幅度增加。該集熱器內工質從入口流出出口時間較短,且理論計算與模擬仿真的熱效率相差較小,所以二者的出口溫差也較小。綜合分析,理論計算曲線與模擬仿真曲線吻合度較高,誤差值較小,確保了該微型拋物槽式太陽能集熱器傳熱模型與仿真模型的合理性,能夠較為準確地判斷各因素對集熱器熱效率的影響。

根據文獻[9]中常規陽臺壁掛集熱器的歸一化曲線圖,繪制出圖12模擬仿真結果與常規陽臺壁掛集熱器的對比曲線,較為直觀地發現微型槽式太陽能集熱器的熱效率較常規陽臺壁掛集熱器有較大提升,且常規陽臺壁掛集熱器僅能提供100 ℃內的熱水,而微型槽式太陽能集熱器能夠提供200 ℃的高品位中溫熱能。

圖12 模擬仿真與常規陽臺壁掛集熱器歸一化對比

  4 結論

1)設計了一種高度僅為120 mm、聚光比為3.4的微型槽式太陽能集熱器;

2)建立了集熱器的熱力學理論模型和Fluent模型,采用數值模擬的方法對集熱器的熱效率進行分析,所得模擬仿真以及理論計算的曲線圖吻合度較高,平均誤差值控制在5%以內,確保了該理論計算以及模擬仿真的準確性;

3)通過研究分析發現,對本文設計的微型拋物槽式太陽能集熱器而言,太陽輻射強度、工質流速與進口工質溫度對熱效率影響較為顯著,而環境溫度的影響較小,集熱器熱效率可達67.23%;

4)該集熱器的外形微小規則,易與陽臺欄板相結合,在提供中溫熱能的同時,占地面積小、與建筑結合美觀,降低建筑能耗,具有廣泛的應用前景。

  參考文獻:

[1] WALTER D,EVERETT V,BLAKERS A,et al.A 20-sun hybrid PV-Thermal linear micro-concentrator system for urban rooftop applications[C]∥Photovoltaic Specialists Conference.Honolulu: IEEE,2010∶831.

[2] DHAKAL R,LEE J,KIM J.Bio-inspired thin and flat solar concentrator for efficient,wide acceptance angle light collection [J].Applied Optics,2014,53(2): 306.

[3] GU X,TAYLOR R A,LI Q,et al.Thermal analysis of a micro solar thermal collector designed for methanol reforming[J].Solar Energy,2015,113∶189.

[4] LI X,DAI Y J,LI Y,et al.Comparative study on two novel intermediate temperature CPC solar collectors with the U-shape evacuated tubular absorber[J].Solar Energy,2013,93(7):220.

[5] 李開春,劉廣虎,王曉靜,等.平板型太陽集熱器的熱損失分析[J].太陽能,2013(19):27.

[6] 胡小芳,高文峰,劉滔,等.平板型太陽能集熱器的熱損失分析[J].太陽能,2015(8):31.

[7] GU X,TAYLOR R A,MORRISON G,et al.Theoretical analysis of a novel,portable,CPC-based solar thermal collector for methanol reforming[J].Applied Energy,2014,119(15):467.

[8] 韓雪,王志敏,田瑞,等.槽式太陽能集熱器熱效率的數值模擬研究[J].太陽能學報,2016,37(9):2265.

[9] 閆芳,馬光柏,夏麟.陽臺欄板式聚光集熱器與建筑的一體化應用研究[J].建筑技術,2017,48(7):711.

  通訊作者
  楊謀存,工學博士,教授,碩士生導師。主持國家重點研發計劃子課題、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金等國家和省部級項目多項;參與多項國家自然科學基金、國家科技支撐計劃課題和省部級項目;入選江蘇省“六大人才高峰”高層次人才培養計劃;申請發明專利5件(授權3件),發表論文30余篇,其中SCI/EI收錄10余篇;獲得中國民用航空協會科學技術獎三等獎1項。目前主要從事太陽能熱利用技術、多能互補耦合供能技術、優化設計理論與方法、納米流體穩定性以及機械結構的壽命預測和可靠性研究和教學工作。
  注:本文經完善后已在《Applied Energy》期刊上正式發表。

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