硅谷杂志：槽式太阳能集热实验装置设计 |
| 2012-12-23 14:50 作者：鲁红光 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网文】 据《硅谷》杂志2012年第19期刊文，介绍太阳能光热发电技术系统中槽式太阳能光热发电原理，教学用槽式太阳能集热系统结构设计、测试方法。
关键词：太阳能；光热发电；槽式；集热器；教学实验
0引言
太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源。太阳能的利用主要包括三方面：一是太阳能热利用，以全玻璃真空管集热器和平板集热器为主的太阳能热水器，我国以跃居世界总产量首位；二是太阳能电池技术，以晶体硅为主的太阳能光伏发电技术成长迅速；三是太阳能热动力发电，太阳能热动力发电是太阳能工程中一项具有广阔发展前景的重大项目，槽式太阳能热动力发电站的成功实践表明，太阳能热动力发电具有效率高、容量大、可比经济指标好等重大优势，特别适合大规模开发利用，为此世界发达国家纷纷投入巨资建立太阳能热动力电站。太阳能热动力发电在我国迅速发展，使得太阳能光热发电专业技术人才成为紧缺人才，各大专院校为此相继成立了太阳能光热利用专业，为社会培养太阳能光热发电技术人才，为实践教学需要，太阳能光热利用专业急需专业实验设备，本文主要研究设计用于教学的太阳能槽式集热系统。
1槽式太阳能热发电工作原理
槽式太阳能热发电系统组成：聚光集热系统、热传输与交换系统、发电系统，见图1。
1.1聚光集热系统
太阳能反射镜是槽式中高温集热系统的核心部件之一，它是由槽型抛物面反射镜、集热管、跟踪机构组成。反射镜分玻璃镜面，陶瓷镜面，金属镜面等。槽型抛物面反射镜可将入射太阳光聚焦一条线上，在该条线上装有真空集热管，用来吸收太阳光加热内部的导热油，集热管通过接收器支架与反射镜固定在一起构成槽式集热器，反射镜托架上有与集热管平行的轴，集热器通过该轴安装在集热器支架上，可绕轴旋转。
1.2热传输与交换系统
槽式集热器能把导热油加热到400℃左右，导热液的循环需专业泵来推动。导热液通过热交换器把水加热到300℃左右的过热蒸汽，水蒸气再去推动蒸汽轮机旋转带动发电机发电。为保证系统正常运行，在系统中要增设储热装置，以便云彩会挡住阳光时仍能运行。对于温度低会冻结的导热液，必须安装辅助加热器来维持导热油温度避免冻结。如果太阳能不充足时也能供电，就要在系统上并联锅炉，保证汽轮机正常运行。
1.3发电系统
从热交换器输出的过热蒸汽送往蒸汽轮机发电，从蒸汽轮机排出的水经冷凝器转为水，再由给水泵送往热交换器，再次产生蒸汽推动蒸汽轮机。发电机发出的电经变压器转换成高压电输送到电网。
2槽式太阳能抛物镜集热实验装置
本实验装置模拟太阳能热动力发电站的聚光集热系统和热传输与交换系统而不设发电系统，如图二为槽式太阳能集热实验装置流程图，工作时导热油由导热油泵从导热罐输送至槽型集热器上的集热管，吸收太阳能后变成可供利用的高温导热油进入热交换器将冷却水加热，然后导热油流回导热油罐完成循环。储热是太阳能热动力发电系统中必不可少的组成部分，因为在早晚和白天云遮间的时间内，系统必需依靠储存的太阳能来维持正常运行，在阳光充足时导热油流经储热装置进行储热，在阳光不充足时储热装置向导热油释放热量。在夜晚和阴雨天，采用辅助能源电加热器加热导热油。实验中可以通过调节冷却水的流量来控制进入导热油罐中的导热油温度。
2.1槽式抛物镜集热系统实验台组成
槽式抛物镜集热系统实验台主要由抛物镜集热子系统、导热介质子系统、能量输出子系统3部分组成。
2.1.1抛物镜集热子系统
抛物镜集热子系统由支架、抛物反射镜面和真空集热管组成。抛物槽式反射镜面东西向布置，这种布置结构调整简单，正午时所获太阳能最多，在上午与下午由于阳光斜射所获太阳能要少些，在早上与晚上所获太阳能很小，这是最大缺点。在槽镜背面也有转轴，仅用于定时调整槽镜的俯仰角，不过调整量也小，几乎一整天只需微调一次即可。
真空集热管是抛物槽式太阳能集热器的核心设备，它由不锈钢内管，玻璃套管，除气环，波纹管组成。通常金属管表面外镀有选择性涂层用来获得较好的光学性能，因为该涂层能搞高吸收率和降低发射率，从而减少热损失，在玻璃套管与金属管之间抽成真空以阻止对流散热。
2.1.2导热介质子系统
循环工质采用燕山石化的YD30O合成导热油，导热油储存于储油罐中。工作时将导热油泵送至太阳能集热管，吸收太阳辐射热能后变成高温导热油，再被输送至热交换器或者经储热装置再输送至热交换器，在热交换器内冷却后流回到储油罐中，完成一个循环。
导热油的传热和导热性能分析：
P=Q•ρ•CP•T
P-传热效率；Q-流量：ρ-在该温度下的密度；CP-在该温度下的比热；T-操作温度。
传热效率是指导热油传（送）热的能力（越大越好），ρCP是导热油的重要特性，它决定了热传导效率。
热传导系数是指油品传（导）热量的能力（越大越好），它受雷诺数影响很大。
雷诺数Re=υd/ν
υ-流速；d-管径；ν-运动粘度。
①雷诺数<1500，油在管内以层流方式运动，导热油油膜吸热后不易传到油心，导致传热不良。
②当雷诺数>3000时，油在管内以扰流方式运动，油膜温度能顺畅地传送至油心，使油膜与油心温差小，热交换良好，避免造成局部过热。
③雷诺数的增大，则要求粘度较小，即高温下，粘度越小越好。
2.1.3能量输出子系统
能量输出子系统主要是导热油与冷却水在管壳式换热器中进行热交换。经太阳能辐射加热后的高温导热油流经管壳式换热器，与换热器中的冷却水进行热交换，导热油被冷却后流入储油罐，而冷却水被加热后作为能量输出。
2.2数据检测系统
数据检测的参数包括太阳辐照强度以及环境温度，风速、真空管集热器和热交换装置导热油进出口温度、导热油流量，热交换装置冷却水进出口温度和流量。
测量控制系统采用温度传感器、流量传感器、太阳辐照计、光电传感器、Agilent3497数字采集开关、模块34901A和PC机组成。太阳辐照强度测量系统由主机、传感器、处理软件组成。实验时可记录显示实验期间的太阳能直射辐照强度、导热油在集热管进出温度和流量、冷却水在换热器中进出温度和流量。信号输出0-20mA标准直流信号。利用R232通讯接口将采集到的信号送到计算机。其控制方案如图3。
2.3测试方法
2.3.1集热系统热平衡
为保证测试实验过程中导热油处于热平衡状态，要求导热油在集热管中进出口温度变化和流量变化要小，在测试时风速不能大，因为在风速较大的时候，可能造成集热器随风晃动，导致集热管轻微偏离焦线造成集热管热损失。在热平衡期间内辐照的变化要小且波动不大。为保证测试的准确，实验前需要对集热器玻璃真空管表面和抛物镜面进行清洁，每次实验前镜面反射率都需重新测量。
热平衡计算公式：
Qcol=I•Aape–Qloss=mCp（Tf，o-Tf，i）
式中：Qcol-集热管有效能量收益（kJ/s）；I-太阳直射辐射强度；Aape-集热器开口面积；
Tf，i、Tf，o-分别为集热工质的入口和出口温度；Qloss-集热管损失（kJ/s）；
M-为集热工质的质量流量（kg/s）；Cp-为定压比热容[kJ/（kg0C）]。
2.3.2真空集热管热损失测试方法
真空集热管的热损失包括集热管与环境通过辐射、对流方式的热损失以及金属波纹管的导热损失。如果采用数值分析方法测定这些参数是非常困难，通常需要通过实验来测定。
槽式集热器的集热性能用集热效率ηc来表示，即接收器实际吸收的能量与投射到集热器上的总能量之比：
ηc=Qcol/I•Aape=mCp（Tf，o-Tf，i）/I•Aape
太阳直射辐射强度I由直射辐照计测量，导热油质量流量m由金属转子流量计测量，集热管进、出口导热油温度Tf，i、Tf由Pt100温度传感器测量。
真空集热管损失分为两部分，即光学损失和热损失。其中光学损失指的是未到达集热管表面和未被集热管吸收的热量。光学效率可用ηopt表示，见图4。
热损失是由真空集热管与环境温差引起的，包括集热管与环境之间的对流热损，辐射热损，波纹管与支架的导热损失。
真空集热管实际吸收的能量也可写成：
Qcol=ηopt•I•Aape-Qh
式中：Qh-为集热管热损失。
ηc=ηopt-Qh/I•Aape
当散热损失Qh为0，即流体温度接收环境温度时，集
热效率可以近似为光学效率。
3小结
研制设计槽式太阳能集热实验装置，为我院太阳能光热利用专业提供《太阳能热发电技术》课程实验，从满足教学要求出发，试验装置的设计不考虑发电系统。在教学过程中，学生所需掌握的是如何在实验过程中测量各参数，故要求实验装置在工作过程中处于稳态以便于测量计算。学生通过实验可研究太阳能辐照强度、导热油进出温度、导热油流量对集热效率的影响，计算系统集热效率和热损失。
作者简介：
鲁红光（1965-），男，江西南昌人，讲师，87年毕业于东北大学热能工程系，多年从事能源动力方面的教学研究，现任职于江西太阳能科技职业学院新能源应用工程系主任，从事太阳能光热利用及空调制冷方面的教学研究。 |
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