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分类号学号M201371033学校代码10487密级硕士学位论文槽式太阳能聚光集热器集热性能研究学位申请人：王政航学科专业：动力工程指导教师：黄树红教授张燕平副教授答辩日期：2015年5月21日 ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringResearchonthePerformanceofParabolicTroughSolarCollectorCandidate:WangZhenghangMajor:PowerEngineeringSupervisor:Prof.HuangShuhongAssoc.Prof.ZhangYanpingHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074,P.R.ChinaMay,2015 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文不保密□。(请在以上方框内打“√”)学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日 华中科技大学硕士学位论文摘要槽式太阳能是目前发展最为成熟的聚光集热发电系统，早在上世纪80年代就进行了商业化应用，槽式太阳能发电系统分为槽式聚光集热装置、跟踪控制装置、储热装置（或者补燃锅炉）、蒸汽发生系统、发电系统等组成，槽式聚光集热装置是槽式太阳能发电系统的核心装置，是光热转换的关键设备，槽式聚光集热装置的效率直接决定着槽式太阳能发电系统的效率，槽式聚光集热装置由聚光镜和真空集2热管的组成，本文以15m聚光集热实验台为依托，对聚光集热器性能进行了研究。2为了研究聚光集热器的性能，设计和制造了聚光面积为15m聚光集热实验台，焦线部分由三根真空集热管串联，真空集热管的结构为外层是玻璃管，内层是涂了吸收涂层的金属管，中间环形抽成真空减少散热，同时在旁边建立了小型气象台，密切监视并记录太阳辐射、大气风速温度等环境参数，并建立数据采集系统对实验数据进行采集。针对实验台建立聚光集热装置计算模型，分为两部分，第一部分为聚光镜（场）光学效率的计算模型，第二部分是真空集热管的换热模型，根据聚光集热模型进而计算工质进行循环下的槽式太阳能集热器的效率。利用实验台设计不同工况条件下的实验方案，比如冬季和夏季太阳辐射不同状况下、不同风速下、不同循环工质（油和水）下的效率对比，进而能够更加深刻的了解聚光集热器的性能，计算出集热器的各部分热损（辐射热损、对流热损、导热热损）并绘制出不同工况条件下聚光集热器的效率曲线，通过对比不同工况条件下的热损和效率，探究影响集热器效率主要因素并讨论最佳工况点。根据实验台的效率计算探讨实验台架的不足与改进，为集热镜场的建设提供参考并减少可能出现的问题，能够为槽式太阳能电站建设提供借鉴意义。关键词：槽式太阳能；真空集热管；聚光集热器；数据采集；效率曲线I 华中科技大学硕士学位论文AbstractParabolictroughsolarsystem,appliedincommercialuseintheearly80'softhelastcentury,isthemostmaturethermalpowergenerationsystematpresent.Parabolictroughsolarpowergenerationsystemconsistsofsolartroughconcentratingheatdevice,trackingcontroldevice,heatstoragedevice(orafterburningboiler),steamgeneratingsystem,powergenerationsystemetc.Parabolictroughheatcollectiondeviceisthecoredeviceofparabolictroughsolarpowergenerationsystem,whichisalsothekeyequipmentofthermalconversion,Thedeviceconsistsofavacuumheatcollectingpipeandcollectingmirrors.Buildanexperimentalplatform,whosesolarcollectingareais215mtostudytheperformanceofsolarcollector:Focallineconsistsofthreeseriesconnectionvacuumheatcollectingpipes.Theouterlayerofstructureofvacuumheatcollectingpipeisaglasstube,theinnerlayeriscoatedwithabsorbingcoatingofmetalpipe,themiddleannularvacuumcanreduceheatdissipation.InstallasmallweatherObservatorytocloselymonitorandrecordtheenvironmentalparametersofsolarradiation,atmosphericwindtemperature,andestablishthedataacquisitionsystemtocollectexperimentaldata.Theheatcollectingcalculationmodelofexperimentalstationcontainedtwoparts,thefirstpartistheopticalefficiencycalculationmodelofcollectingmirrorfield,thesecondpartistheheattransfermodelofvacuumheatabsorbingpipe.Accordingtoheatcollectingcalculationmodel,calculatetheefficiencyofparabolictroughsolarcollectorundercycle.Bymakingusetheexperimentplatformtodesignexperimentalschemesunderdifferentconditions,forexample,thewinterandsummersolarradiationindifferentconditions,differentwindspeeds,differentcycleworkingfluid(oilandwater)etc,andthencomeupwithamoreprofoundunderstandingoftheperformanceoftheconcentratingcollector.Calculatetheheatcollectorheatlossofeachpart(radiationheatloss,heatconductionloss,convectiveheatloss)anddrawtheefficiencycurveunderdifferentconditionsofcollector.Throughcomparingthedifferentconditionsofheatlossandefficiency,exploretheimpactofthecollectorefficiencyfactorsanddiscusstheoptimaloperatingpoint.Anddiscussonthedeficiencyandimprovementofexperimentalbench,providereferencefortheconstructionofheatmirrorfieldandreducethepossibleproblems，whichcanprovidereferencefortroughsolartypepowerstationconstruction.Keywords:Parabolictroughsolarsystem;Thevacuumheatcollectingtube;Heatcollector;Dataacquisition;EfficiencycurveII 华中科技大学硕士学位论文目录摘要....................................................................................................................IAbstract...............................................................................................................II绪论...................................................................................................................11.1课题的背景及意义....................................................................................................11.2槽式太阳能电站的国内外研究现状....................................................................21.3槽式太阳能集热器研究现状..................................................................................41.4本文研究内容...........................................................................................................112槽式太阳能集热器聚光集热数学模型.......................................................142.1聚光装置光学效率的计算模型..........................................................................142.2真空集热管传热换热模型...................................................................................172.3槽式太阳能集热器效率的计算模型.................................................................232.4LS2型集热装置性能计算实例...........................................................................242.5本章小结....................................................................................................................263槽式聚光集热实验台架及集热实验...........................................................283.1实验台架的各部分结构布局与功能.................................................................283.2数据采集系统的设计.............................................................................................323.3集热性能实验...........................................................................................................353.4本章小结....................................................................................................................384实验数据分析...............................................................................................394.1武汉气象条件...........................................................................................................394.2集热器的热损失计算及效率曲线.....................................................................424.3影响集热器效率的主要因素...............................................................................44I 华中科技大学硕士学位论文4.4最佳工况点的讨论.................................................................................................494.5实验台架的不足与改进........................................................................................504.6本章小结....................................................................................................................515全文总结与研究展望...................................................................................535.1全文总结....................................................................................................................535.2研究展望....................................................................................................................55致谢.............................................................................................................56参考文献...........................................................................................................57附录攻读学位期间参与的科研项目.............................................................61II 华中科技大学硕士学位论文绪论1.1课题的背景及意义对于槽式太阳能的研究最早可以追溯至19世纪末期，而对于对于槽式太阳能研究浪潮则是从20世纪70年代，西方发达国家发生石油危机开始的，此时人们逐渐认识到开发太阳能等清洁能源来缓解人类社会对于传统化石燃料的依赖，并且随着对于环境保护的一致认同，人们不断追求各种形式的新能源的研究，美国、欧盟日本这时开始[1]进行规模化的太阳能热发电的研究，区别于太阳能光伏发电，太阳能热发电是通过聚光集热产生蒸汽驱动汽轮机发电，与火电厂相比，取代了其锅炉回路，因而太阳能热发电比传统化石燃料更为清洁和高效。槽式太阳能发电属于太阳能热发电的一种，此外还有碟式、塔式太阳能热发电技[2]术，槽式太阳能热发电技术发展最为成熟，并且是最早进行商业化应用的，槽式太阳能聚光集热装置效率可以达到60%，并且是三种太阳能热发电技术中占用土地面积最小的，并且槽式太阳能电站在部分发达国家（美国、西班牙等）已经并网发电。槽式太阳能电站已经从早期的实验性质的几MW到目前规模可高达100MW甚至更高，但是中间存在着很多的问题，比如槽式太阳能热发电一般是使用导热油作为传热介质，而导热油的温度最高只能达到400℃，由导热油通过油水换热器加热给水，而通过导热油换热只能产生中等品味的蒸汽，这就限制了槽式太阳热发电的效率，目前国外有学者在逐步探索通过槽式太阳能集热器直接加热给水，即DSG（DirectSteam[3]Generation）直接蒸汽生产系统。此外涉及到太阳能利用必须要碰到的问题就是在阴天或者夜晚情况下，太阳光不够充足时，如何维持发电侧的低工况运行，解决方法是熔盐储热（白天将多余的太阳能加热熔盐）或者加入补燃锅炉，这是美国欧盟等商业化运行的槽式太阳能电站的成功经验。目前中国还未有槽式太阳能电站包括实验性质的，因此对于槽式太阳能热发电的核心装置即槽式太阳能集热器研究，将对中国槽式太阳能的发展研究产生重要意义，如何能够高效利用槽式太阳能集热器，提高集热器效率将会是非常重要的一方面，对1 华中科技大学硕士学位论文于将来中国兴建槽式太阳能电站具有积极的参考意义。1.2槽式太阳能电站的国内外研究现状我国新疆、甘肃、蒙古、西藏、宁夏、四川部分地区等西部省份，年均光照时间达到3000小时，太阳能资源十分丰富并且这些地区人口密度较小，非常适合兴建槽式太阳能电站，从而有效减少中国的节能减排压力，缓解能源及环境问题。2010年10月下旬，我国启动了首个槽式太阳能发电项目，即内蒙古鄂尔多斯50MW项目，这是我国已知的最早的的槽式太阳能热发电项目，我国十二五已经规划建设槽式太阳能电站，如表1-1所示。2011年10月，在宁夏盐池开始建设一座槽式太阳能-燃气联合循环（ISCC）电站，这是目前亚洲第一家采用槽式太阳能-燃气联合循环技术的电站，利用槽式太阳能与燃气相结合的技术，即白天槽式太阳能发电，夜晚或者阴天等太阳不充足的情况，通过储能的设备与燃气共同运行的方式进行发电，是ISCC发电的示范电站。[4]表1-1我国十二五规划中的槽式太阳能电站建设单位预计装机容量（MW）地点新疆青松建化一期开发建设太阳能热发电吐鲁番新疆国电集团12MW，长期50MW四川阿坝州天威新能源塔式、槽式混合100MW四川西昌中国华电50MW吐鲁番中国华电50MW金塔北京康拓工控100MW宁夏广东康达100MW地点未定总体来说，目前国内的槽式太阳能电站仍处于系统集成示范阶段，仍无商业化运行的实例。美国欧盟等西方发达国家的槽式太阳能电站至少有40年的历史，已经从早期的示范运行探索阶段发展到了几百MW级的商业化并网发电阶段，并且陆续有商业化电站进行兴建并投入运行。最著名的当属美国SEGS（SolarEnergyGeneratingSystems）系列电站，最早的进行规模化商业化的槽式太阳能电站，从1985-1991年间由美国Luz2 华中科技大学硕士学位论文公司在加州南部兴建了SEGSI-SEGSIX九座商业化运行的电站，装机容量分别有14MW、6×30MW和2×80MW，总计354MW。在夜间和阴雨天气情况下，其中SEGSIII-SEGSIX这七座运行电站采用天然气锅炉进行补燃，即补燃加热蒸汽，使得电站能[5][6]够实现24小时不间断运行，补燃锅炉发电量占到了总发电量的25%。全球主要槽式太阳能热发电装置如表1-2：[7]表1-2全球主要槽式太阳能热发电电站国家年份装机容量（MW）西班牙阿尔梅里亚19810.5日本香川县19811美国加州(SEGSI-IX)1985-199114、6*30、2*80西班牙DISS1996-19992希腊克里达(Theseus)199750以色列2001100西班牙-德国20055美国南部20062*50美国内华达（Solarone）200664西班牙（Andasol1-3）2007-20113*50美国（Beacon）2014250希腊建在克里达岛的一座50MW级的槽式太阳能电站是欧盟的第一座商业化运行的槽式太阳能电站。补燃设计是液化石油气锅炉，电站汽轮机可以在槽式太阳能、补[2]燃锅炉运行以及二者同时运行三种状况下进行发电。此外还有在2009年7月竣工的西班牙50MW级的槽式太阳能电站-Andasol1电站，其建在西班牙安达卢西亚格拉纳达省，镜场面积达到50万平方米，占地面积有2平方公里，共安装了600多个槽式太阳能集热器，其中每个集热单元长150米，宽5.7米。辅助能源是熔盐储热，将中午多余太阳能收集储存在熔盐中，这些熔盐储存在两个高14米、直径35米的储存罐子中，大约有3万吨熔盐，熔盐的温度达到500℃甚[8]至更高。在夜晚的时候通过熔盐储存的热量加热给水产生蒸汽进而驱动汽轮机发电，并维持汽轮机低工况运行，在设计状态下，这些熔盐储存的热量可以维持汽轮机满负3 华中科技大学硕士学位论文[9]荷状态下运行7.5个小时。[10]表1-3目前全球在建槽式太阳能电站（部分）电站名称国家装机容量（MW）建设年份HelioenergyI-II西班牙2*502011ExtresolI-II西班牙2*502011AguaPrietaII墨西哥122011RajasthanSolarOne印度102011LogrosanI-II西班牙2*502012PriolaPowerStation意大利52012Solana美国2802013GenesisOne美国1252013Blyth-PhaseI,II美国2*2422013现在全球范围内出现兴建槽式太阳能电站的热潮，不断规划建设单独的槽式太阳能电站见表1-3，或者将槽式太阳能与其它形式的能源发电进行结合的方式。1.3槽式太阳能集热器研究现状槽式太阳能发电是通过利用槽式抛物镜面反射太阳光，将太阳光聚焦到镜面的焦线上以此来加热焦线管道中导热流体（一般来讲为导热油），导热油通过换热器加热[11]给水产生蒸汽驱动汽轮机发电，取代了传统火电厂的锅炉燃煤部分，更为清洁。[12]由槽式太阳能集热器还引出了线性菲涅尔集热器，名称来源于法国工程师AugustinJeanFresnel，由他发明而来的，线性菲涅尔集热器由一定数量的平面或者部分弯曲的反射镜面组成一个大的凹槽（槽式是由一整块组成），这些反射镜面跟踪太[13]阳光进而将太阳光汇集到焦线上加热流体介质，其它结构类似槽式太阳能集热器，由于本文的重点在于槽式太阳能集热器，因此关于线性菲涅尔集热器不再赘述了。槽式太阳能集热器主要由真空集热管、抛物反射镜面、支撑架以及跟踪控制系统[14]构成。在2010年，落户于湖南怀化的制造槽式太阳能各发电部件的项目启动，由中航通用设备有限公司为主导，联合中科院工热所和华北电力大学，突破了槽式聚光镜、真空集热管等核心部件的国产化，该项目能够生产和制造集热器支撑架、真空集4 华中科技大学硕士学位论文热管、反射镜面、跟踪控制系统、换热蒸汽生产系统、储能装置、发电机组等主要槽[15]式太阳能设备，中国因此掌握了聚光反射镜、跟踪控制系统、真空集热管这三项核心技术，使得中国成为美国、德国和以色列之后能够实现槽式太阳能发电技术全部国产化的国家。下面对槽式太阳能集热器各个结构进行详细介绍和描述：（1）真空集热管槽式太阳能的的吸收部件为集热管，发展方向为真空集热管以及腔体吸收器（腔体吸收器已经应用在塔式太阳能上，还未见应用于槽式太阳能的实例，槽式太阳能应用主要是真空集热管）。真空集热管吸收太阳能十分的高效，目前根据真空集热管的材料可将真空集热管分为两类：第一种是全玻璃的真空集热管，第二种是金属-玻璃真[16]空集热管。金属-玻璃真空集热管是目前应用范围最广的（广泛应用于槽式太阳能电站，太阳能热水器等），结构如图1-1所示，内层套管是金属吸收管，表面具有涂层，增强吸收太阳辐射的能力，外层套管是玻璃，里边有吸气剂从而维持真空，由于真空集热管不能做的很长，端部是金属波纹管来密封，并且管与管之间的连接是通过金属波纹管来进行连接的，导热介质在金属吸收管内流动吸收热量。[17]图1-1槽式太阳能真空集热管示意图真空集热管作为槽式太阳能发电的核心器件之一，其热损失及性能将直接影响着槽式太阳能集热器的效率，真空集热管的热损失主要包含三个部分，即真空集热管与环境之间的对流散热损失，真空集热管与外界以及自身的辐射散热热损，还有就是金属波纹管产生的导热热损，因此高效率的真空集热管能够显著提高槽式太阳能集热器的性能并且如何计算真空集热管的效率将对槽式太阳能集热器效率研究产生重要影5 华中科技大学硕士学位论文响。龚广杰建立了金属吸收管与玻璃套管之间的热辐射、真空夹层内残余气体对流散热、玻璃套管与环境对流散热、玻璃套管对天空热辐射的模型，根据相对应热损失进[18]行计算，并和LS2集热器实验数据对比从而验证模型准确性。Markus等分别介绍了真空集热管Sandia一维模型、二维分析模型以及三维有限元模型，利用Sandia模型与三维有限元模型SchottPTR70真空集热管进行模拟，发现Sandia国家实验室的模型对适于集热管热损计算，三维有限元模型既适用于集热管热损的计算又适用于集热管温度场的详细分析，并且二者对于真空集热管热损的计算结[19]果是吻合的。韩智香基于SchottPTR70真空集热管实验来验证建立的真空集热管的一维散热模型，使用计算机程序对环境温度、金属吸收管的热辐射率和外层玻璃套管的导热系数[20]等因素对真空集热管热损失的影响。目前国外应用于槽式太阳能电站领域的真空集热管主要有两种，一种是德国[21]Schott公司生产的PTR70以及相关衍生型号，另外一种是以色列Sodel公司生产的[22]6号真空集热管UVAC及类似型号，二者参数对比见表1-4：表1-4两种真空集热管参数对比型号管长（m）工作温度（℃）400℃吸收率400℃发射率PTR704最高500大于95%小于13%UVACNo.64.06最高400大于96%小于13%通过计算对比，在400℃时二者的热损基本相当，因此性能也是十分接近。[17]对于槽式太阳能真空集热管效率等于𝑄̇/𝑄̇，其中输出吸收𝑄̇=𝑄̇−𝑄̇=𝑞̇(𝑇−𝑇)(1-1)输出吸收热损质量流量出口进口𝑄̇为真空集热管吸收的太阳辐射能量，因此如何提升槽式太阳能真空集热管的效率吸收就在于减少真空集热管的热损，目前对于槽式太阳能真空集热管热损的研究主要有三种方法：○1现场测量玻璃表面温度法6 华中科技大学硕士学位论文外层玻璃套管的表面温度与许多环境设备因素有关，比如环境风速、周围环境温度、太阳直射强度、玻璃管与金属管之间的真空度、金属管表面吸收层等一系列因素有关，因此这种方法相当于一种估算，只能简单的作为对于真空集热管性能评价的参数。王亚龙通过测量玻璃表面温度法，对陶瓷涂层的金属-玻璃真空集热管进行性能测[23]试，得到了该集热管的热损失，结果表明陶瓷涂层可以有效提高真空集热管效率。Pfänder使用红外成像仪获得Solel-UVAC和SchottPTR-70这两种集热管的热成像图，进而得到外层玻璃套管的表面温度，在不考虑真空集热管热平衡状态下，使用[24]数学关联式即经验拟合公式计算得到真空集热管的散热损失。Price也使用红外热成像仪进行研究，对SEGSVI电站LS-3集热器进行了研究，通过测量玻璃表面温度进而计算真空集热管热损，并使用这种方法对SEGS电站的各[25]型号集热器进行快速评估，从而能够及时掌握集热器运行状况。○2准稳态平衡的方法如果将槽式太阳能集热器处在不进行运行的情况下，遮挡直接和间接太阳辐射，在这种状况下真空集热管能量吸收𝑄̇=0，则吸收𝑄̇=𝑞̇(𝑇−𝑇)=𝑄̇(1-2)热损质量流量出口进口输出这种方法从公式上也可以简单直观的理解，但是如果做到完全屏蔽来自太阳能的辐射是无法做到的，因此这种方法应用并不广泛。○3传热稳态平衡的方法这种方法是针对在室内，通过外部热源维持真空集热管的传热稳态平衡状态，那么这种情况下：𝑄̇=𝑃(1-3)热损热源熊亚选根据此法对真空集热管在稳态平衡状态下进行了建立模型研究，进而分析[17]真空集热管的性能特性。杨润等使用MATLAB软件在稳态平衡状态下针对槽式太阳能集热器建立了一维[26]模型，模型计算结论与美国Sandia国家实验室的实验结果相一致。7 华中科技大学硕士学位论文张业强等对13m长的真空集热管道（由6根真空集热管串联而成）的热损研究，用准稳态平衡的方法得到的热损要大于传热稳态平衡的方法的到的热损，并且290℃热损是传热稳态平衡方法测得的热损的1.18倍；在导热油105-313℃，辐射散热损失[27]占真空集热管总的热损的70%-90%。（2）集热器及集热场的计算程泽东在Shriaz的250kW的槽式太阳能集热器的基础结构上，采用设备与环境最佳参数，据此设计几个参数不相同且具有研究意义的槽式太阳能集热器，并对这些结构不同的槽式太阳能集热器真空集热管对流换热进行数值模拟，得出聚光镜开口口径[28]以及位置因素对槽式太阳能集热器的影响。美国Sandia国家实验室Dudly等人采用铬黑和金属陶瓷等选择性涂层对SEGS中典型的LS2集热器进行了实验研究，得到了LS2集热器的集热效率、散热损失与流体[29]温度、太阳辐射强度之间的关系，见表1-5。[30]表1-5LS2集热器参数项目开口长光学聚焦反射面积管内流体应用情况(m)(m)效率比(𝒎𝟐)温度(℃)LS-25480.76471:1235350SEGSI-VII肖杰使用蒙特卡洛光线更渣法来近似模拟槽式太阳能集热器的聚焦太阳光的特性，研究了太阳光与聚光镜面夹角即入射角、聚焦比对槽式太阳能集热器表面能流密度影响分布，并运用传热有限容积方法，进一步研究了其与真空集热管的传热耦合对集热[31]器的影响。Krüger对SolitemPTC1800槽式太阳能集热器进行实验研究，导热油温度在150℃-190℃测试发现热损失相对较低，而光学损失显著，此外从抛物镜面反射率、集热管[32]的透射率以及聚光镜面几何形状方面对优化集热器性能进行了分析研究。赵雅文通过分析200kW槽式太阳能集热器的㶲效率，并建立了槽式太阳能集热器的热力学模型，研究㶲效率的变化规律，结论表明，在太阳辐射强度为600W/𝑚2时，[33]其最大效率约为33%，此时最合适的温度范围是250-350℃。东朝阳通过槽式太阳能集热器（类似Sandia模型）的热力学模型，对其进行优化，8 华中科技大学硕士学位论文得到真空集热管长、导热流体流速以及太阳直射强度、周围环境温度对槽式太阳能集[34]热器效率的影响，并定量计算各部分的热损和槽式太阳能集热器效率。Angela提出的槽式太阳能集热器场吸收的有用能量模型，对SEGSVI电站[35][36]集热器场效率进行计算，并与实际运行条件进行对比。在现场实际运行中，夏季监测到槽式太阳能集热器场效率为51%，冬季为18%。Angela计算得到的效率，[35]夏季为59%，冬季为20%。SEGSVI电站集热场布置：该电站集热器场由50排并行的槽式聚光集热器并联而成。每一排聚光集热器由16个集热元件组（SCA）组成，南北各8个。每个SCA又由25个最小单位聚光集热器串联组成，总共100m长。集热器反射镜开口宽度为5m，两排集热器间距13m，集热器焦距5m。整个集热器场面积约为为18.8×104m2。集热器布置方式为，纵轴为南北朝向布置，东西方向跟踪太阳。导热流体由集管分配到各个集热器，50个回路，每个回路从304℃加热到390℃，[14]被加热的导热流体输送到电站的换热设备产生10MPa、371℃。崔映红在Angela研究的基础上增加了太阳光遮蔽损失、管路损失、聚光镜面光学损失、集热元件热损、太阳光入射角损失以及端部金属波纹管损失，重新对SEGSVI[37]电站的集热场进行计算分析，得到的效率夏季为49.53%，冬季为17.02%。曲航建立了35MW的槽式太阳能电站的仿真模型，参照SEGS电站的LS2集热器并按照SEGS电站的典型集热器布置，分别在中国三个光照充足的地方：西藏、内蒙古和新疆，选取九个典型地点进行模拟，针对不同地区的特点提出集热器阵列的最[38]佳摆放布置。高志超建立了聚光面积的600𝑚2槽式太阳能集热器装置，模拟分析槽式太阳能集热场和蒸汽生产系统，按照典型天气日的条件，计算得到平均集热效率为60%，输出[39]功率在210kW左右，每天产蒸汽量约为为3.58吨。（3）跟踪控制系统跟踪控制系统是槽式太阳能集热器的重要组成部分，通过跟踪控制系统控制槽式太阳能集热器，跟踪太阳转动，使得集热器的焦线最大限度的正对太阳，从而提高聚[40]光效率，使得槽式集热器可以更多的太阳光提高集热器的效率。按照太阳光入射光线与槽式反射镜主轴的相对位置关系，可以将跟踪控制系统分9 华中科技大学硕士学位论文[9]为单轴跟踪控制系统和双轴跟踪控制系统。1)单轴跟踪控制系统分为三种，分别是南北地轴式，南北水平布置，东西水平布[41]置，布置方式见图1-2，东西水平布置相当于南北水平布置旋转90°。图1-2布置示意图○1南北地轴式，抛物聚光镜(即焦线)南北方向倾斜一定布置,东西方向跟踪太阳光。跟踪控制系统的转轴指向地球的北方并与地面倾斜一定的α，α角一般相当于当地的地理纬度角。○2南北水平布置，抛物聚光镜(即焦线)南北方向水平布置，东西方向转动跟踪太阳光。○3东西水平布置，抛物聚光镜(即焦线)东西方向水平布置，南北方向转动跟踪太阳光。2)双轴跟踪控制系统，见图1-3：跟踪控制系统存在着两条转轴，分别是方位轴和俯仰轴，方位轴与地面垂直，俯仰轴与方位轴垂直，这两周可以同时转动使得聚光[41]镜的焦线与太阳光入射光线一致。单轴跟踪控制系统只能保证太阳光入射光线在聚光镜所包含表面内；而双轴跟踪可以实时根据太阳高度以及太阳方位角变化而实时变化，时刻保持最佳的光线入射，最大程度的利用太阳光，因而具有很好的光学效率，但是相对单轴跟踪来说结构比较[42]复杂，成本较高。单轴跟踪控制系统造型简单，虽然精度差一些效率低一些，但是[38]经济性好，可靠性高，是目前应用最为广泛的跟踪系统。罗馨茹利用液压做为驱动方式来驱动大型槽式太阳能集热器，是一种新型的槽式10 华中科技大学硕士学位论文[43]太阳能跟踪机构，其特征是扭矩大，旋转角范围广等。图1-3双轴跟踪控制系统张翠云基于西门子S7-1200PLC双轴跟踪控制系统，使用太阳轨迹跟踪方案，依照天文学公式以及相关参数精确计算实时太阳位置，从而控制伺服电机驱动槽式太阳[44]能集热器来追踪太阳光线。徐丽霜通过计算槽式太阳能集热器所在纬度各个时刻太阳的高度角和方位角，传感器据此据此计算出集热器需要旋转的角度，控制方位轴和俯仰轴的步进电机，进而控制这两个轴的转动，使槽式太阳能集热器能够达到一个合适的方位和角度来利用太[45]阳能。国外对太阳能跟踪控制系统研究比较早，使用PLC、单片机和DSP作为数据采集器，并使用光敏电阻或者光栅原件最为感受太阳光器件，从而对太阳光进行实时智能[46]跟踪控制。1.4本文研究内容在武汉气象条件下，通过搭建的15𝑚2的槽式太阳能集热器，研究真空集热管的散热损失、槽式太阳能集热器的效率并进行不同的流体工质循环判断不同工质对集热器效率的影响，研究太阳辐射、环境风速、空气湿度等环境因素对槽式太阳能集热器效率的影响，并绘制各因素状态下集热器效率曲线，尝试探讨实验台架的最佳工况点并针对本实验台架进行进一步的优化。11 华中科技大学硕士学位论文1实验台架和实时监测系统的搭建本实验台架装置由槽式集热器、换热器、高低位储液罐、电加热器以及给水/油泵、循环泵组成，此外的硬件还有小型气象台组成，测点各传感器与实时监测系统相连。本实验装置的实时监测系统（数据采集系统）使用的是组态王6.53版本的软件来建立的实时监测系统，使用组态王开发本实验单元的主画面以及不同功能的单元模块，利用各个温度测点的传感器以及流量测点数据完成数据采集工作，将各个温度测点的以及气象中心的数据接入到实时监测系统中，并通过这些传感器与组态王进行通信。小型气象台通过监测气象数据，来研究各个环境因素对真空集热管的散热损失的影响，此外太阳辐射角度同样直接影响着槽式太阳能集热器的效率。温度传感器测点包括集热器进口油/水温、集热器出口油/水温、进口处真空集热管表面温度以及出口处真空集热管表面温度，各传感器同时有单独的仪表显示，同时通过RS285/RS485线路，建立与计算机的通讯，并对各传感器进行校准。流量测点使用浮子流量计进行测量，流量计旁边还有压力计来显示管路的压力，通过流量计压力表来监测循环管路的流量和流速。对于本实验台的跟踪控制系统，本实验台采取的是单轴跟踪控制，开环控制，按照设定程序跟踪控制，并且需要不定时手动调整和控制来减小运行中产生的误差。2集热器的热损失计算以及集热器效率曲线的绘制槽式太阳能集热器的热损失包括外层玻璃管与大气的对流散热损失、辐射散热损失，外层玻璃管的光学损失，抛物镜面的光学损失，金属波纹管的端部损失，下图是集热器传热示意图，目前广泛采用的是Sandia传热的模型，模型简单，且对散热损失计算相对准确，涉及到复杂传热计算，本文采用编写EXCEL程序进行计算。讨论对影响槽式太阳能集热器热损失各种因素包括太阳辐射变化、入射角的变化、风速和管内热流密度等等，从而进一步掌握槽式集热器的传热规律，并且绘制各因素下集热器效率曲线，从而能够直观了解各因素对于集热器性能影响，制订各种方案来提高槽式太阳能集热器的效率。3不同条件下集热单元的效率计算与对比12 华中科技大学硕士学位论文通过对槽式太阳能集热器在不同运行条件下进行监测，讨论不同导热工质（导热油与水），不同工况（工况A、工况B、工况C，其中工况A为循环工质仅经过集热器，工况B为循环工质经过预热器与集热器，工况C为循环工质经过预热器、集热器与换热器，），不同流量（0.5𝑚3/ℎ-3𝑚3/ℎ）这些各条件下槽式太阳能集热器效率，在这些不同条件下寻找槽式太阳能集热器的最佳工况点，需要注意的事循环管路采用的是无缝钢管，因此在进行计算集热器效率时管路热损是考虑的因素。13 华中科技大学硕士学位论文2槽式太阳能集热器聚光集热数学模型2.1聚光装置光学效率的计算模型图2-1中真空集热管位于槽式抛物镜面的聚光轴上，聚光镜面开角α越大，聚焦到真空集热管上的光线越不均匀，从而造成集热器效率的降低，因此开角α要适当，这是关于聚光镜面硬件本身的设计，此外还要注意的是聚光镜表面的清洁度，聚光镜表面的清洁度越高反射效率就越高，达到更大利用太阳能的目的。还有跟踪损失误差，由于是单轴跟踪控制系统，不可能时刻使得太阳光时刻处于光轴正上方，因此跟踪损失系数也是需要考虑的一方面。另一方面，由于支撑集热管的支架存在还会遮挡部分的太阳光，这也是其中一个方面因素。图2-1槽式聚光镜面以及真空集热管横向截面示意图图2-2为聚光镜面实物图，图中标注出了支架遮挡，空间缝隙，聚光镜表面清洁14 华中科技大学硕士学位论文度等对聚光效率产生影响的因素，计算方法使用公式（2-1）进行计算图2-2聚光镜实物图槽式太阳能集热器光学效率[47]𝜂𝑒𝑜p=𝜀1𝜀2𝜀3𝜀4𝜀5𝜀6𝜌𝑐𝑙K（2-1）表2-1公式各参数含义符号意义数值𝜺𝟏为遮挡系数（支架龙骨等的遮挡）0.969𝜺𝟐跟踪损失系数0.995𝜺𝟑几何系数（集热器的排列）0.99𝝆𝒄𝒍无灰尘镜面的反射率0.946𝜺𝟒聚光镜面灰尘系数反射率/𝜌𝑐𝑙𝜺𝟓集热器灰尘系数(𝜀4+1)/2𝜺𝟔其他因素0.97一般来讲反射率取值为0.88-0.94，另外K为入射角修正系数,𝜃为太阳光入射角K=cos(𝜃)+0.000885𝜃−0.00005470𝜃2[47]（2-2）15 华中科技大学硕士学位论文入射角由于每时每刻都在变化，如图2-3所示，所以这里将入射角单独拿出来进行说明。图2-3入射角θ由于地球围绕太阳做公转的问题，每天同一时间，入射角也是不相同的，并且加上地球自转的问题，每天太阳光的入射角在每个时刻也是不相同的，国外学者Duffie[47]据此总结出来关于太阳光入射角的经验公式：cos(θ)=√𝑐𝑜𝑠2(𝛿)𝑠𝑖𝑛2(𝜔)+𝑐𝑜𝑠2(𝜃)（2-3）𝑧其中cos(𝜃𝑧)=sin(𝛿)sin(𝜙)+cos(𝛿)cos(𝜙)cos(𝜔)。𝛿为太阳倾斜角，𝛿=sin(360×(284+i)/365)×23.465，i为一年中的距离1月1号的天数。𝜔为时间角度，𝜔=（太阳时-12）×15°，太阳时与标准时区有对应关系这里就不一一列举了，在本次实验状态下只需要知道武汉所在时区即东八区区时与太阳时间对应关系即可。𝜙是纬度位置，即纬度角。入射角是影响输入能量的重要因素，因此对于集热器性能有决定性作用，且入射角是随着季节，每天时间变化的，所以计算方式精度影响集热器性能。16 华中科技大学硕士学位论文2.2真空集热管传热换热模型真空集热管结构如图2-4所示，真空集热管准确的讲由四部分组成，第一部分是玻璃套管、环形真空区域、表面选择性吸收涂层、金属吸收管组成。图2-4真空集热管结构示意图传热换热过程有如图2-5所示，热量的吸收过程：玻璃套管外层吸收的太阳辐射、金属吸收管外层吸收的太阳辐射、金属吸收管外层向内层的热传导、金属吸收管内层与导热流体之间的热对流；热量的散失过程：金属吸收管外层与玻璃套管内层之间的热对流、辐射热损，玻璃套管内层与外层的热传导，玻璃套管外层与周围环境空气的[48]热对流，玻璃套管与天空的热辐射，此外还有真空集热管端部的导热损失。这里说明的一点是，真空集热管由于工艺限制不能做的很长，一般来讲为2米左右，端部是靠金属波纹进行密封的，真空集热管与真空集热管的连接就靠端部的金属波纹管进行串联，串联后会将连接处包裹一处金属，因此会产生相应的导热损失，对于本集热器由于设备较为简单，并且为了简化计算并简化模型，因此没有考虑端部的导热损失，本实验台架结构较为简单并且没有进行连续多天长时间运转，端部热损所占比例较小。17 华中科技大学硕士学位论文图2-5集热器传热示意图根据上文的传热换热过程进行抽象出来的网络热阻图，如图2-6所示图2-6等效网络热阻图等效网络热阻图的各符号含义如下：𝑇𝑠为金属吸收管外表面温度，𝑇gi为玻璃套管内层表面温度，𝑇go为玻璃套管外层表面温度，𝑇𝑎为周围环境温度，𝑇sky为天空温度。𝑅1为金属吸收管外层与玻璃套管内层的对流热阻，𝑅2为金属吸收管外层与玻璃套管内层的辐射热阻，𝑅3为玻璃套管内层与外层之间的导热热阻，𝑅4为玻璃套管外层与周围环境的对流热阻，𝑅5为玻璃套管外层与天空的辐射热阻。18 华中科技大学硕士学位论文下面对于各部分热量进行分别计算：（1）金属吸收管外层与玻璃套管内层的对流传热之所以会产生对流传热，是因为环形真空区域残余气体的存在，由于不可能做到百分之百的密封，并且存在气体通过某种方式进入的情况，因此不可避免的存在残余气体的导热问题，这里需要提到的是真空度对于对流传热的影响。如图2-7所示，环形真空区域的真空度对对流热损的影响，当真空度处于(a)区域时，环形区域是自然层流对流换热，自然层流导热雷诺数在100<𝑅<107，热损随着𝑎压强的降低而显著降低；当压力减小至(b)区域时，压力在100torr至0.1torr，气体的密度减小，但是在空间内仍然有很多的空气分子，分子间碰撞概率没有显著变化，所以在这一区域热损基本维持一定值；在（c）区域气体密度继续减小，没有足够分子数来传递传递金属吸收管外层与玻璃套管内层的热量，所以热损继续减小；在（d）区域分子数很少，分子间的碰撞几乎没有，所以基本没有分子来传递金属吸收管外层与玻璃套管内层的热量，对流热阻很小，所以此时的热阻很大，占主要地位的为辐射热损。[49]图2-7真空度对真空集热管对流热损的情况19 华中科技大学硕士学位论文[49]当环形真空区域的真空维持比较好时，这时涉及到分子动力学的理论计算：𝑄1=2𝜋𝑟𝑎𝑏𝑠𝑜𝐻1(𝑇ab𝑠𝑜−𝑇𝑔𝑖)（2-4）其中𝐾𝐻1=𝑟𝑔𝑖𝑟𝑎𝑏𝑠𝑜（2-5）𝑟𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑛+𝑏𝜆(+1)𝑟𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑔𝑖λ=2.331×10−20𝑇𝑚（2-6）𝑃𝛿22−𝑎9𝛾−5b=×（2-7）𝑎2(𝛾+1)𝑇𝑚=(𝑇ab𝑠𝑜+𝑇𝑔𝑖)/2（2-8）𝐻为热传导系数（W/(𝑚2∙𝐾)），1K为标准状态下气体的热导率W/(m∙K)，𝑇ab𝑠𝑜金属管外层温度，𝑇𝑔𝑖为玻璃套管内层温度，𝑟𝑎𝑏𝑠𝑜为金属吸收管外层半径，单位m，𝑟𝑔𝑖为玻璃套管内层半径，单位m，λ为分子平均自由程，单位cm，𝑇为环形区域内残余气体的平均温度，单位为K，𝑃为环形区域内残余气体的平均压强，单位为mmHg，𝛿为气体分子直径，单位cm，空气分子直径一般为3.53×10−8cm，a，b，γ为无量纲数，对于空气来讲，γ为1.41，a约等于1。当环形区域真空维持的不好时，混入一定量气体，此时就要使用层流换热方式计[49]算：2.425×𝐾𝑎𝑏𝑠𝑜−𝑔𝑖×(𝑇ab𝑠𝑜−𝑇𝑔𝑖)𝑃𝑟𝑅𝑎𝐷𝑎𝑏𝑠00.25𝑄1=𝐷𝑎𝑏𝑠0×()（2-9）(1+()0.6)1.250.861+Pr𝐷𝑔𝑖𝑔𝛽(𝑇ab𝑠𝑜−𝑇𝑔𝑖)𝐷𝑎𝑏𝑠03𝑅𝑎𝐷𝑎𝑏𝑠0=𝛼𝜈（2-10）1𝛽=（2-11）(𝑇ab𝑠𝑜+𝑇𝑔𝑖)/2𝐾𝑎𝑏𝑠𝑜−𝑔𝑖为(𝑇ab𝑠𝑜+𝑇𝑔𝑖)/2温度下气体热导率，W/(m∙K)，𝐷𝑎𝑏𝑠0为金属吸收管外层直径，单位m，20 华中科技大学硕士学位论文𝐷𝑔𝑖为玻璃套管内层直径，单位m，𝜈为运动粘度，𝛼气体热扩散率，𝑃𝑟为普朗特数，𝑅𝑎𝐷𝑎𝑏𝑠0为直径下𝐷𝑎𝑏𝑠0的瑞利数。[49]（2）金属吸收管外层与玻璃套管内层的辐射换热𝜎(𝑇4−𝑇4)𝑎b𝑠𝑜𝑔𝑖𝑄2=1𝐷𝑎𝑏𝑠𝑜×𝐴𝑎𝑏𝑠𝑜（2-12）+1𝜖𝑎𝑏𝑠𝑜𝐷𝑔𝑖(−1)𝜀𝑔𝑖𝜎斯忒潘-玻尔兹曼常数，2𝐴𝑎𝑏𝑠𝑜为金属吸收管外表面积，m，𝜖𝑎𝑏𝑠𝑜为金属吸收管外表面发射率，𝜀𝑔𝑖为玻璃套管内层外表面发射率。[49]（3）玻璃套管内层与外层之间的导热换热这个过程比较简单，玻璃层内的导热2𝜋𝐾𝑔𝑄3=𝐷𝑔𝑜(𝑇𝑔𝑖−𝑇𝑔𝑜)（2-13）ln()𝐷𝑔𝑖𝑇𝑔𝑖为玻璃套管内层温度，单位K，𝑇𝑔𝑜为玻璃套管外层温度，单位K，𝐾𝑔为(𝑇𝑔𝑖+𝑇𝑔𝑜)/2温度下的玻璃导热率，𝐷𝑔𝑖为玻璃套管内层直径，𝐷𝑔𝑜为玻璃套管外层直径。[50]（4）玻璃套管外层与周围环境的对流散热𝑄4=h𝐴𝑔𝑜(𝑇𝑔𝑜−𝑇𝑎)（2-14）𝐾𝑎h=𝑁𝑢（2-15）𝐷𝑔𝑜𝐾𝑎为空气对流换热系数，W/(m∙K)，𝐷𝑔𝑜为玻璃套管外层表面直径，单位m，21 华中科技大学硕士学位论文2𝐴𝑔为玻璃套管外层表面积，单位m，𝑁𝑢为努歇尔特数，这时努歇尔特数，分为两种情况，第一种情况为无风状态下，即自然对流状态下1/60.387𝑅𝑎2𝑁𝑢=(0.6+(1+(0.559/𝑃9/16)8/27)（2-16）𝑟)其中𝑅𝑎为瑞利数，𝑃𝑟为普朗特数；第二种为周围环境有风状态下，即强制对流状态，这种状态下，流体掠过单根管强制对流散热𝑁=𝐶𝑅𝑚𝑃𝑛（2-17）𝑢𝑒𝑟其中,Pr≤10时,n=0137;Pr>10时,n=0136。𝑅𝑒、C、m的取值见表2-2表2-2各系数取值𝑹𝒆Cm1-4×𝟏𝟎0.750.414×𝟏𝟎-𝟏𝟎𝟑0.510.52𝟏𝟎𝟑-2×𝟏𝟎𝟓0.260.632×𝟏𝟎𝟓-𝟏𝟎𝟔0.0760.71（5）玻璃套管外层与天空的辐射换热𝑄=𝜀𝜎𝐴(𝑇4−𝑇4)（2-18）5𝑔𝑜𝑔𝑜𝑔𝑜𝑠𝑘𝑦𝑇=(𝜀)0.25×𝑇（2-19）𝑠𝑘𝑦𝑠𝑘𝑦db𝑡𝑑𝑝𝑡𝑑𝑝2𝜀𝑠𝑘𝑦=0.711+0.56×()+0.73×()（2-20）100100𝜀𝑔𝑜为玻璃套管外表面发射率，𝑇𝑑𝑏为干球温度，𝑡𝑑𝑝为周围空气露点温度，𝜀𝑠𝑘𝑦为天空发射率。在热平衡状态下，根据建立的网络热阻模型，真空集热管的散热损失有如下𝑄1+𝑄2=𝑄4+𝑄5（2-21）真空集热管最终热量的散失形式是𝑄4与𝑄5，即热量是通过玻璃套管外表面与环境对流散热、玻璃套管与天空辐射这两种形式散失掉的，所以计算真空集热管的散热损22 华中科技大学硕士学位论文失需要确定的是𝑄4与𝑄5。真空集热管换热过程𝑄1、𝑄2、𝑄3，所需要确定的参数有金属管外层的温度、玻璃套管的内层温度、外层温度，以及环形真空区域气体压强、温度这些参数的确定，本身就是很困难的，所以这三种换热形式的数值的大小，用来评估真空集热管性能还是具有非常重要的意义，但是在本次计算真空集热管与环境散热损失的以及确定集热器的效率，这三者的重要性并没有很突出，这里强调于真空集热管散热过程的说明，并进行公式推导与建模。此外在真空集热管散热过程中，还存在着导热流体与金属吸收管之间的换热、金属吸收管内层与外层之间的导热这两种形式，这里不再专门阐述了。2.3槽式太阳能集热器效率的计算模型槽式太阳能集热器效率直观的来讲，即是导热流体吸收的能量与太阳照射到集热器能量之比，即𝑄𝑓η=（2-22）𝐼∙𝐴导热流体吸收的能量𝑄𝑓，导热流体经过集热器吸热升温，一定时间内的质量流量确定，并有导热流体的进出口温度，那么能够确定导热流体所吸收的热量。𝑄𝑓=m𝐶𝑝∆𝑇=m𝐶𝑝(𝑇2−𝑇1)（2-23）m为导热流体的质量，𝐶𝑝为导热流体的比热容，𝑇1、𝑇2为导热流体的进出口温度。集热器效率还有另外一种表示方法，(𝑇4−𝑇4)(𝑇𝑎𝑏𝑠−𝑇𝑎)𝑎𝑏𝑠𝑠𝑘𝑦η=𝜂𝑜𝑝𝑡×𝐾𝜃−(𝑎+𝑐×𝑉𝑤𝑖𝑛𝑑)×−𝜖𝑎𝑏𝑠×𝑏×（2-24）𝐼𝐼𝐾𝜃为入射角修正系数，𝜂𝑜𝑝𝑡为槽式太阳能集热器光学效率，𝑉𝑤𝑖𝑛𝑑为环境风速，I为太阳直射强度，𝑇𝑎𝑏𝑠为金属吸收管的温度，23 华中科技大学硕士学位论文𝜖𝑎𝑏𝑠为金属吸收管的发射率。美国Sandia国家实验室测定的a、b、c三者的值为a=1.918×10−2W𝐾−1𝑚−2，b=2.02×10−9W𝐾−4𝑚−2，c=6.12×10−3J𝐾−1𝑚−3本式的物理含义可以看到，是利用的太阳能减去损失的能量，计算方式和上面提到的方法二者是等价的。[49]损失的热量为𝑄loss=(𝑎+𝑐×𝑉𝑤𝑖𝑛𝑑)×(𝑇𝑎𝑏𝑠−𝑇𝑎)−𝜖𝑎𝑏×𝑏×(𝑇𝑎𝑏𝑠4−𝑇𝑠𝑘𝑦4)（2-25）2.4LS2型集热装置性能计算实例2.4.1计算程序编制计算工具使用的是EXCEl表格进行计算的，由于模型的计算较为简单，并且计算内容相对较少，因此使用EXCEL表格更为简单快捷，并且更利于进行参数的修正，如图程序框图2-8所示，利用聚光装置的光学效率模型和真空集热管的传热换热模型进行计算：入射角，聚光参数，几何参数，清洁系数聚光效率T𝑠，Tgi，T𝑔𝑜，T𝑎，T𝑠𝑘𝑦Q1，Q2，Q3，Q4，Q5集热器效率图2-8理论模型计算方框图此外根据本章第三节介绍的实验效率计算如下图2-9所示，根据太阳光辐射强度和流体进出口温度来进行效率的计算即吸收能量与输入能量之比，两种方法是等价的，本方法槽式太阳能集热器的效率是直接通过实验数据得到的效率，而第一种方法是对模型的总结得到的，类似于经验公式，可以更好的描述集热器热损情况，二者结合可24 华中科技大学硕士学位论文以更为精确的确定槽式太阳能集热器的效率，并更好的认识槽式太阳能集热器的性能。入射角，聚光参数，几何参数，清洁系数聚光效率流体进出口温度，流量集热器效率图2-9实验效率计算方框图2.4.2计算实例验证模型使用的数据为SEGS系列电站的LS2集热器，对于LS2集热器在SEGS电站运行中积累了大量的实验数据，并且国内外很多学者对其进行研究，因此使用LS2集热器来验证模型准确性更具有说服力并能保证准确性，这里介绍Timothy等人使用的LS2集热器装置进行验证第二章建立的数学模型。[51]表2-3文献测量实验数据太阳辐射强度环境温度导热流体进口导热流体出口流速l/min风速2W/m℃温度℃温度℃m/s985.936.3870.4192.3252.622.83991.386.1498.18118.2955.762.281020.768.36100.03121.5854.703.88984.776.65149.72169.8355.533.661044.754.84201.14222.6354.212.77997.428.04248.92269.7354.092.90971.4512.39298.17318.9354.244.561016.5210.63348.40370.3154.091.791015.7711.99362.98384.9354.283.49[51]Timothy的实验装置参数：真空集热管是SchottPTR70集热管，单根管4米长，是由两根串联安装在LS2集热器上，金属吸收管的直径为70mm，玻璃套管的直径为25 华中科技大学硕士学位论文125mm；LS2集热器聚光镜面是由20块反射镜组成，反射率为0.93，误差为±0.015，2宽度为5，长7.8米，聚光面积为39.2m，LS2集热器为单轴跟踪控制系统；热流体是DOWCorning提供的Syltherm800型导热油，最高工作温度达到400℃。表2-3数据显示了太阳辐射强度、环境温度、环境风速结合导热流体的升温情况，导热流体的流量知道，下一步利用这些数据计算效率，Timothy等人得出了LS2集热器热损以及效率，这里使用本文的计算模型同样对其进行计算并与Timothy计算的到的数据进行对比，对比结果如表2-4：表2-4计算结果对比Timothy计算本文计算本文计算相对误差22热损W/m效率%热损W/m效率%热损误差%效率误差%4.2373.714.3573.122.840.807.3472.907.2272.961.630.087.5673.897.1274.235.820.469.6872.299.7771.020.931.7615.3769.9915.7868.222.672.5320.6469.1119.5070.215.521.5936.7668.5736.7968.550.080.0343.8965.3144.0364.210.321.6852.9664.2953.9963.11.941.85根据表2-4中计算结果可知，热损误差最大为5.82%，热效率的最大误差为2.53%，因此本文建立的集热器模型符合预期，并由此可知模型的正确性。2.5本章小结本章分别建立了槽式太阳能集热器聚光镜光学效率的计算模型、真空集热管一维状态下的稳态传热换热模型以及槽式太阳能集热器效率的计算模型，由此可见槽式太阳能集热器效率主要由光学损失以及真空集热管散热损失二者决定的。聚光装置的光学效率主要由太阳光入射角、聚光镜表面清洁程度、支撑结构的遮挡等因素决定的，所以在实验过程中在跟踪太阳光时，应尽可能使太阳处于真空集热管光轴平面最大可能利用太阳光，并保持聚光镜面的清洁，在一段时间闲置过后再进行实验的话应对聚光镜表面进行清洁，清洁度越大，反射率越好，所以光学效率越高。26 华中科技大学硕士学位论文真空集热管主要决定着散热损失，真空集热管的散热损失主要是和环境的散热损失即与周围环境空气的对流散热损失以及天空的辐射散热损失，由于本实验装置相对简单，真空集热管端部的散热损失较小，没有列入计算，对于金属管的长度将端部金属波纹管的连接部分长度误差考虑进去。根据第三节建立的集热器效率模型进行了验证，使用的是国外学者Timothy关于SEGS电站中的LS2集热器，经过计算验证得出实验误差最大5.82%，说明建立的模型是符合实际要求的，并且具有一定说服力的。27 华中科技大学硕士学位论文3槽式聚光集热实验台架及集热实验3.1实验台架的各部分结构布局与功能实验台架由主台架和小型气象站两部分组成，主台架部分分别由槽式太阳能集热器、电加热器、管壳式换热器、低位储液罐、高位储液罐、循环泵、注油泵、流量计、压力表以及各传感器组成，主台架示意图，如图3-1；小型气象站在主台架旁边单独安装。2图3-115m槽式太阳能集热器循环示意图循环A：高位储水罐-循环水泵-压力表和流量计-集热器-低位储水罐循环B：高位储水罐-循环水泵-压力表和流量计-集热器-换热器-低位储水罐循环C：高位储水罐-电加热器-循环水泵-压力表和流量计-集热器-换热器-低位储水罐设计循环的思路是高位储水罐的水经过集热器加热并进入低位储水罐，电加热器的作用是夜晚或者阴天、下雨天等阳光不足或没有阳光的时候提供能量补充，管壳式换热器是用来研究集热器系统能量转换效率。（1）槽式太阳能集热器槽式太阳能集热器由槽式抛物镜面和真空集热管组成如图3-2所示，反射镜上下各六块总计十二块反射镜，开口直径为2.6米，长6米，中间由三根2米长真空集热28 华中科技大学硕士学位论文管串联而成，反射镜面面积为15平方米，聚光比为65:1，镜面采用双层玻璃镀膜做反光镜，反射率不低于90%，年衰减度小于5%，聚光镜抗风抗疲劳能力良好，保养、维护方便。图3-2槽式太阳能集热器（2）真空集热管真空集热管作用是吸收太阳光加热管路中导热流体，即将太阳光转换成热能。图3-3采用金属-玻璃真空集热管真空集热管由内层金属吸收管、外层玻璃套管以及端部的金属熔封组成如图3-3，29 华中科技大学硕士学位论文金属吸收管与玻璃套管之间抽成真空来减少散热损失。真空集热管长度为2米，最高工作温度可达350℃，工作压力可达3MPa；金属和玻璃的采用溶封（火封）联接；吸收管的截光率大于95%；金属管上的选择性吸收涂层有较高的太阳能吸收率和较低的热辐射率，100℃时吸收率大于0.92，发射率小于0.10，玻璃外管透射率大于95%；玻璃管和金属管之间起始真空度保持在0.05Pa以上，真空管内有消气剂或其他保持真空的装置，真空度保持在0.8Pa；金属管外径为0.04米，玻璃管外径为0.07米；运行温度为0-350℃。（3）跟踪控制装置跟踪控制装置如图3-4所示，其作用是实时跟踪太阳光，保证聚光镜面最大程度的利用太阳光，本实验台是东西水平布置，南北跟踪控制，采用的是开环单轴控制，程序设定并辅助一定的手动调节；性能可靠，正常工作最大风速为6级风，可抵御8级风，在采取相关保护措施下，10级风不损坏设备；具有良好的抗疲劳能力和强度，保证结构在工作条件下具有较长的寿命；保养、维护方便，易拆卸、易组装；抗扭能力强以保证光学效率。图3-4控制柜调节按钮控制柜分别能够进行集热器的自动/手动控制，并且在聚光镜角度不合适时还可以进行正转/反转调节，从而使得集热器角度能够达到最大利用太阳光的位置，转动轴如下图3-5，液压转动。30 华中科技大学硕士学位论文图3-5跟踪控制系统（4）小型气象站小型气象站如图3-6所示，实时监测环境状况，测量太阳辐射、环境风速等参数，这些参数决定着集热器的效率、吸热、散热等性能。图3-6小型气象站小型气象台建立在实验台架旁边，密切监视并记录太阳辐射、大气风速温度等环境参数，并建立数据采集系统对实验数据进行采集，采集参数共有六项，采集数据表格如表3-1所示。31 华中科技大学硕士学位论文表3-1气象台采集参数表大气湿度大气压强kPa直接辐射风速m/s大气温度℃（5）导热流体导热油使用的是YD-300型导热油，主要组成成分是高纯芳烃，最高工作温度达3到300℃，密度为0.95-1.06g/cm，液态不分层，凝结点在-21℃，含水量在210mg/kg。导热油充满管路需要33kg,油罐容量为100kg。（6）电加热器等其他设备电加热器的作用是在阴天等光照不够充足的情况下，辅助加热导热流体，电加热器的功率在10kW。除开真空集热管的6m长度，其它管路是由直径50mm的无缝钢管组成，无缝钢管的壁厚为5毫米，长度为20m3油泵参数为流量2m/h,压力0.6MPa3储油罐容量为0.1m，规格为直径20cm，高度80cm。流量计、压力表分别对应的是管路中流体流速、管道压力，其中流量调节阀可采用比例积分电动调节阀。3.2数据采集系统的设计图3-7数据采集系统示意图32 华中科技大学硕士学位论文图3-7显示的数据采集系统基本原理图，计算机界面采用的软件是组态王6.53版本，主界面图如图3-8所示图3-8使用组态王建立的控制界面设备通信通过设备->com1接口，数据定义通过数据库->结构变量、数据词典进行定义，各传感器参数定义如表3-2：表3-2各传感器参数传感器量程和精度表面温度传感器-20~160℃，精度0.2℃流体温度传感器B级精度（0.5℃），2个数据转换器RS232/RS485/USB等标准接口工程建立了四个主要界面，分别是主界面、气象站、温度曲线、实时报表，主界面是建立流体循环及控制画面如图3-9，这里注意的是各个控制阀不是通过监控软件33 华中科技大学硕士学位论文进行控制的，全部是机械阀门，需要手动控制打开或者关闭图3-9控制主画面另外对于气象站，有实时显示，数据通讯（通讯接口有RS232与RS485两种接口），可自动保存数据（每一分钟保存一次，可存45天；每十分钟保持一次，可存15个月；总计可以存65000条数据），并且还有实时时钟，气象站各传感器参数如表3-3所示。表3-3气象站传感器技术参数项目技术参数风速起动风速：≤0.4m/s；测量范围：0-70m/s,分辨率0.1m/s，单位：m/s风向起动风向：≤0.3m/s；测量范围：0-360°,分辨率16个方向，单位：度直接辐射传感器灵敏度：7-14μV2，响应时间:≤30秒，精度：±2%，范围：0-2000W/mw.𝑚2大气温度传感器范围：-40-80℃，分辨率：0.1℃，精度：0.2级，单位：℃大气湿度传感器测量范围：0-100RH，分辨率：1RH，精度：3RH，单位：RH大气气压传感器范围：0-1100mbar，分辨率：0.1mbar，精度：0.5mbar，单位：mbar气象站实时数据报表和数据曲线如图3-10，3-11所示图3-10气象站参数界面34 华中科技大学硕士学位论文图3-11各参数的实时气象曲线界面3.3集热性能实验本装置的研究核心是研究集热器效率，需要在不同工况下获得实验数据，因此需要对各个测点的数据进行记录，导热流体是直接在管路中进行循环的，经过集热器温度在不断升高，实验中默认循环下所用导热流体为水。温度测点有集热器进口流体温度，集热器出口流体温度，集热器进口处玻璃外层套管温度，集热器出口处玻璃外层套管温度流量计记录管道流量、压力表记录管道压力此外气象台实时记录相应的气象参数有大气湿度、大气压强、直接辐射、风速、大气温度，武汉气象条件以及气象台实验数据见第四章第一节。（1）典型冬夏季日照辐射条件以及不进行工质循环集热器初始条件实验初始条件，随着环境条件的差别，初始条件也是明显不同的，武汉的典型气候分为冬季和夏季，春秋两季的过度时间很短，武汉的河流湖泊较多，气候湿度较大，因此大气湿度也是考虑重要因素之一，冬夏两季典型天气日的各参数对比如表3-4所示。35 华中科技大学硕士学位论文表3-4冬夏季环境条件对比冬季（12月份）实验台的环境条件上午9:30-下午4:30大气湿度大气压强kPa太阳辐射风速m/s大气温度℃40~60≈102.12100~4000.3~1.62~10夏季（7月份）实验台的环境条件上午9:30-下午4:30大气湿度大气压强kPa太阳辐射风速m/s大气温度℃50~65≈101.21150~6500.5~2.120~35表3-4中，从冬季与夏季条件对比中发现，冬季的风速较小，管路的对流换热系数较小，但是冬季的光照强度较弱，而周围环境温度较低，辐射散热损失较高。武汉气象条件的特点冬夏季漫长，春秋季较短且变化交替不明显，分别监测对比冬夏气象条件参数，需要注意的是冬夏季条件的不同，即不进行工质循环的条件下，各测点温度，见表3-5。表3-5冬夏季初始条件温度冬季（12月份）在不进行工质循环的情况下，中午12点各测点的温度（℃）集热管入口壁温集热管出口壁温集热器入口水温集热器出口水温10110910夏季（7月份）不进行工质循环的情况下，中午12点各测点的温度（℃）集热管入口壁温集热管出口壁温集热器入口水温集热器出口水温29312830从表3-5中，在不进行工质循环的条件下，冬季实验台的各测点温度要低于夏季各测点温度，即实验台未进行实验的条件下，传感器各测点的温度，由此也可以看出冬夏季的主要温度条件的区别。（2）工质循环实验数据结合上文的气象观测条件，同时进行工质循环实验，循环工质采用的是水，流量3为1.2m/h，获得实验数据见表3-6，详细分析见第二节。表3-6实验数据表冬季实验数据时间集热管入口壁温集热管出口壁温集热器入口水温集热器出口水温流速l/min9:30454520.236 华中科技大学硕士学位论文10:00566720.110:307871019.511:001011101420.511:301213131520.412:001112151819.812:301213182319.913:001415222619.713:301012252920.314:001113283020.214:301015303319.615:00911323520.715:3089343620.616:001015353720.116:301216373819.5夏季实验数据时间集热管入口壁温集热管出口壁温集热器入口水温集热器出口水温流速l/min9:302324232520.310:002526242620.410:302425272920.811:002627313519.811:302728323619.912:002727333719.312:303031384219.713:003233414519.813:303435424520.514:003133444720.114:302930464820.315:003133495020.015:302729515319.516:002627515519.416:302728535620.6进行工质循环实验中，冬夏季气象条件的不同决定着热损，从表3-6中可以看出对于进出口水温、进出口壁温有着非常大的影响，具体的效率计算，见第四章第二节。37 华中科技大学硕士学位论文3.4本章小结2本章介绍了15m槽式太阳能集热器实验台架，台架的各个组成部分以及详细参数，通过对各部分详细介绍，对各部分的作用能够更加清晰的认识，此外，对于数据采集系统的用户界面进行了描述，对各个传感器的精度通讯方式进行介绍，以及每个传感器对应的测点和实验数据，监测控制系统能够实时记录实验的各个测点的实验数据，方便于实验并且可以对系统进行整体监控，从而有利于提高实验精度，最后是集热性能实验，从实验初始条件到冬夏季典型天气日的气象条件，并获得了进行工质循环的实验数据，后续的实验数据分析及计算第四章进行详细的说明。38 华中科技大学硕士学位论文4实验数据分析4.1武汉气象条件武汉市地理位置上处在江汉平原东部区域，长江和汉江在这里交汇，长江流经武汉为南北走向。地理坐标东经113°41′-115°05′，北纬29°58′-31°22′，气候条件是北亚热带季风性湿润性气候，特点是雨量丰富、日照良好、夏季炎热、冬季湿冷，并且年平均气温在12-17℃。一年中，1月平均气温最低，为3.0℃；7月平均气温最高，为29.3℃，夏季长达135天，夏天普遍高于37℃，极端最高气温44.5℃，因武汉地处北纬30度，夏季正午太阳高度可达39°；春秋两季各约60天。初夏梅雨季节雨量较集中，年降水量为1205毫米。武汉活动积温在5000℃～5300℃之间，年无霜期达240天，年日照2000小时，基本气候情况见表4-1。表4-1武汉基本气候情况表平均温度平均最高极端最高平均最低极端最低降水天数平均风速温度温度温度温度1月3.58.224.10.4-18.39.31.12月5.710.226.72.5-11.39.61.73月10.214.428.66.3-3.113.62.14月16.521.533.612.90.813.12.25月21.826.536.218.38.213.31.86月25.729.737.522.318.111.31.97月28.832.739.425.617.99.12.28月28.932.638.925.117.69.11.89月23.527.837.719.810.39.11.910月17.622.833.813.81.49.41.711月11.516.629.97.6-7.28.11.712月6.110.922.62.4-10.26.71.7四季划分：四季分配以夏冬两季较长，各约4个月；春秋两季较短，各约2个月。即夏季127天左右，冬季为110天左右，春、秋季分别为62及65天。一般春季始于3月16日，夏季始于5月16日，秋季始于9月28日，冬季始于11月23日。39 华中科技大学硕士学位论文下表4-2是武汉分别是武汉冬季和夏季典型天气日的观测数据，表4-2冬夏季气象观测数据冬季气象数据时间大气湿度大气压强直接辐射风速风向大气温度2RHkPaW/mm/s°℃9:3055102.351200.817049:4551102.322130.9165510:0048102.313021.5120710:1546102.203161.2123610:3047102.123591.7145610:4547102.223981.0165711:0045102.274331.5135811:1543102.454411.9145811:3042102.174581.7147911:4541102.194771.5138912:0042102.114800.91341012:1541102.125110.71671012:3043102.145360.2174912:4543102.155551.91411113:0041102.105602.11511113:1545102.125652.51471113:3040102.165132.91651013:4542102.315403.1123814:0042102.124131.2143914:1545102.154101.4158914:3041102.213992.1154714:4539102.193450.7146815:0038102.152971.9128615:1545102.202752.3139515:3046102.182642.1147615:4541102.232151.5159516:0050102.281951.0167516:1551102.271752.3155416:3050102.301692.5178540 华中科技大学硕士学位论文夏季气象数据时间大气湿度大气压强直接辐射风速风向大气温度2RHkPaW/mm/s°℃9:3055101.102052.190259:4556101.092692.2912410:0065101.173201.91002610:1558101.133391.8922710:3057101.254151.7892910:4554101.074792.1782911:0056101.095502.31053011:1553101.125781.61063111:3052101.155981.7793611:4554101.056061.8983712:0051101.076101.9913612:1552101.066562.3953512:3049101.086752.4963912:4556101.106881.6753713:0058101.127001.7883713:1557101.257061.8873813:3052101.177042.5853413:4556101.126962.1863514:0054101.136352.2863614:1559101.116460.4833414:3053101.096340.7903314:4551101.175781.2953415:0056101.155081.1963215:1554101.135142.2903115:3051101.123652.1913215:4558101.133321.5923016:0057101.092931.61002716:1562101.082971.8982616:3057101.162741.910527根据表4-2中的数据得到的辐射强度曲线图4-1，温度曲线图4-2，基本符合上文的关于武汉气候条件的论述的，无风条件下风速为2m/s，通过观测多日的天气，一般来说风速平均也在2m/s左右。41 华中科技大学硕士学位论文800700冬季夏季600太阳辐射5002强度（W/m）400300200100009:0009:3010:0010:3011:0011:3012:0012:3013:0013:3014:0014:3015:0015:3016:0016:30时间图4-1太阳辐射强度曲线40冬季35夏季302520o温度（C）15105009:0009:3010:0010:3011:0011:3012:0012:3013:0013:3014:0014:3015:0015:3016:0016:30时间图4-2环境温度曲线4.2集热器的热损失计算及效率曲线真空集热管时刻影响着槽式太阳能集热器的性能，真空集热管的热损包括内层金属管与外层玻璃管之间的热损，外层玻璃管与大气的对流散热损失、辐射散热损失等，真空集热器是将太阳能转换为热能的关键设备，其性能的好坏直接影响着集热器的性能，因此通过实验数据来计算本真空集热管的各项散热损失可以更清楚的认识集热器的性能。42 华中科技大学硕士学位论文根据以上记录的原始数据即表3-4到3-6，气象数据和各测点的循环工质温度进而计算各部分损失、对流损失、辐射热损、光学效率等将导热流体温度计算得到的实验损失与计算损失，实验效率与计算效率进行对比，根据模型计算出的效率与实验效率进行对比，结果如表4-3：表4-3实验台冬夏季热损以及效率对比时间冬季热损计算效率实验效率夏季热损计算效率实验效率22W/m%%W/m%%9:302.0856.2756.483.0965.8866.0210:002.1252.7653.013.4564.5965.1210:302.5654.5954.124.0263.2163.1311:002.7553.6053.744.3563.1462.0711:302.8251.6551.424.9462.1262.1512:002.8350.4750.535.0362.3462.4412:302.9650.6950.765.1261.9861.8713:002.9749.9850.335.6461.5461.5313:302.9949.7849.625.9261.0360.9614:003.5448.7649.026.0260.5660.5314:303.6846.8946.146.1359.0859.015:004.1345.6945.706.4557.9658.1615:304.5444.7244.736.9956.7456.7316:004.4944.1244.217.1655.1355.6216:304.6344.0144.107.4554.7654.552从表4-3中可以看出随着循环工质的上升，冬季热损从2.08到4.63W/m，夏季热2损从3.09到7.45W/m，根据第二章的模型计算出的效率冬季从56.27%降为44.01%，夏季计算效率从66.02%降为54.55%，冬夏季实验效率与计算效率相比最大相差不超过1%，一方面验证了模型的准确性，另一方面说明实验台建设的有效性，随着时间的积累，循环工质的温度增加，则真空集热管壁面温度增加，所以真空集热管表面与环境辐射热损、对流热损增加，因此效率降低。根据表4-3得出效率曲线趋势如图4-3所示，从图4-3中可以看出随着工质温度的上升，效率是逐渐降低的，并且随着循环的增加，流体温度增加，热损也在不断增加，从而使得效率降低，但是吸收热量绝对值还是不断增加的。43 华中科技大学硕士学位论文75%70%冬季65%夏季60%55%效率50%45%40%35%30%09:0009:3010:0010:3011:0011:3012:0012:3013:0013:3014:0014:3015:0015:3016:0016:30时间图4-3冬夏季实验效率曲线4.3影响集热器效率的主要因素在验证槽式太阳能集热器模型中，发现随着导热流体温度的上升，集热器效率是降低的，那么实验条件如果保证在导热流体温度一致那么并不能完全反应出集热器效率，如果不保证导热流体温度一致那么影响集热器的效率，导热流体相当于一个变量，因此采取的是将导热流体循环一定的时间。这里太阳辐射、环境风速、环境温度对槽式太阳能集热器效率的影响，并绘制相22应状态下的效率曲线；武汉气象条件下，计算太阳辐射在200W/m-700W/m状况下，2梯度变化为50W/m的集热器效率；环境风速从0.6-3.8m/s，梯度变化为0.3m/s，环境风速影响到集热器散热情况因此环境风速对管路的对流散热情况密切相关；环境温度22-38℃，梯度变化为1℃，环境温度影响着台架运行的初始边界条件同时也影响着集热器辐射散热情况。这里循环工质对比的是导热油和水，见表3-5，研究不同循环工质对集热器效率的影响。实验以2014年7月份的环境条件为基础，相邻天数的同一时刻的入射角可以认为44 华中科技大学硕士学位论文3是基本不变的，工质选取的水，流量为1.2m/h，在这统一条件下研究太阳辐射、环境温度、环境风速三者对于集热器性能的影响。根据获得的实验数据，研究内容有以下几个方面：（1）太阳辐射对集热器性能影响表4-4不同太阳辐射下的实验效率22太阳辐射W/m环境温度℃环境风速m/s热损W/m实验效率%202271.73.2163.3249281.63.5664.5312322.13.8761.2348302.04.0562.5407311.94.2361.9456322.14.5561.7503332.24.9760.5548342.35.1260.4601321.15.6559.9661330.85.9858.7698350.96.2360.0由于客观条件所限，在各个辐射强度下，不能完全保证环境温度的稳定在一个温度，并且也不能保证集热器完全处在无风的环境下，选取的数据尽量保证环境工况与环境风速近似的情况。2从表4-4中可以看出，太阳辐射梯度为基本为50W/m，从结论上来看，太阳辐射增加，效率有略微的降低，但是流体吸收热量绝对值是增加的，太阳辐射增加，集热管温度增加，辐射散热和环境对流散热增加从而导致效率降低。另外需要说明的是，部分工况点的选择是在雨后初晴天气获得的。（2）环境温度对集热器性能的影响表4-5不同环境温度下的实验效率22太阳辐射W/m环境温度℃环境风速m/s热损W/m实验效率%642221.17.5354.9652240.86.7155.5641251.67.0253.745 华中科技大学硕士学位论文649260.96.6555.4653271.86.4555.9654290.76.1256.1647301.36.0556.7649311.55.9355.9659320.75.8757.2648330.95.4657.9658351.15.2358.1651371.35.1256.2657380.64.9757.3从表4-5中可以看出，随着环境温度的增加，辐射热损减小，对流热损不变，因此效率增加，从表及图中可以看到随着环境温度的增加，效率是增加的趋势的。（3）环境风速对集热器性能的影响表4-6不同环境风速下的实验效率22太阳辐射W/m环境温度℃环境风速m/s热损W/m实验效率%652320.64.2362.5651340.94.4762.3647351.04.7861.7634331.35.0361.2649321.45.5461.1662311.66.0260.7649331.76.3160.2657342.06.6260.0653352.36.7959.8642322.47.0158.4664332.67.1857.2653342.77.6556.3656343.07.8956.1641323.18.0155.9642313.58.4155.4662353.88.5354.9表4-6中可以看出，随着风速的增加，热损失加大，从而使得效率降低。（4）不同流量的影响46 华中科技大学硕士学位论文此外，工质、入射角、流量对实验台效率有重要影响，对于流量因素，实验工况2条件平均太阳辐射为650W/m，平均环境温度为32℃，平均风速为1.9m/s，流量变化33范围为0.2m/h-2.6m/h。表4-7不同流量对实验台效率的影响22流量l/min太阳辐射W/m环境温度℃环境风速m/s热损W/m实验效率%5.01653311.73.5452.36.65651321.24.5651.510.12647322.15.0256.313.54643332.35.4157.616.75659311.45.2556.720.03641331.55.3259.623.41662331.75.6558.326.52657321.95.7559.130.02639322.16.2154.233.19645322.26.1251.336.67653311.86.3350.241.54648331.96.1048.7从表4-7中可以看出，流量较低时，导热流体不能够充分的吸收聚焦在集热管上3的太阳能，效率较低；随着流量的增加，效率增加但是过了1.2m/h，效率降低，因为流速过快，导热流体经过集热器时不足以充分吸收热量从而导致效率降低（5）入射角影响武汉地区典型天气日的入射角，夏至日（6月22号）入射角为3.5°；春秋分（3月21号，9月23号）入射角为60°；冬至日（12月22号）入射角为36.5°。其它日期的入射角由公式（2-3）计算得到。入射角与季节密切相关，季节又决定着太阳辐射强度，太阳辐射强度又直接决定着聚焦产生的能量，不过为了对比入射角的影响，这里使用太阳辐射尽量相同的时间点。从表4-8中可以看出，入射角反映在季节上，那么达到同样太阳辐射强度，不同季节的每天时间点不一样，因此散热热损是不一致的，并且由于入射角较大下，聚光效率好，那么导热流体上升温度较快，热损较大，虽然吸收热量较多，但是效率还47 华中科技大学硕士学位论文是有一定下降。表4-8入射角对实验效率的影响22入射角°太阳辐射W/m环境温度℃环境风速m/s热损W/m实验效率%63601251.24.5357.565613261.34.7457.967609241.64.9858.169592231.45.0158.671604271.35.1558.873597281.15.4559.375606260.75.6759.477599242.15.7259.679605251.65.9860.281593271.55.7860.683618281.46.0260.7（6）导热油影响由于实验台架并没有进行导热油进行实验，因此利用集热器的实验效率，以及武汉当地的天气条件，来模拟导热油在集热器内的热量传递，从而计算出导热油经过集热器的进出口温度，在下一阶段进行导热油实验时将实验数据与计算出的进出口温度进行验证从而对比计算的准确性。表4-9导热油进出口温度2选定效率%热损W/m导热流体进口温度℃导热流体出口温度℃694.5660.1472.17676.5391.2393.33658.9699.54102.866311.35131.18142.396112.36157.82170.085916.65171.27183.645718.47203.52215.475519.96211.13224.835325.31229.50331.155128.17236.89240.194929.54240.23253.2648 华中科技大学硕士学位论文导热油的比热容仅为水的1/5到1/6，因此导热油对温度的感知更为灵敏，相同热量下，所以导热油可以达到较高温度，相对于水用时更短，并且导热油可以相对水吸收更多的热量，那么对应于真空集热管的温度可以达到较高温度，从而辐射热损较高。2太阳辐射强度为680W/m，环境温度27℃，风速1.5m/s，根据使用水作为循环工质时的效率从而推导出所能吸收的热量进而逆推出导热油温度如表4-9所示。4.4最佳工况点的讨论直观意义上来说，最直接的方法来讲，集热器的性能最主要由三个要素决定的，首先是输入能量，即太阳辐射，在集热器尺寸等各方面条件不变的情况下，太阳辐射强度决定着集热器所能吸收的能量；其次是散热热损，这一部分是能量的损耗，前面提到过热量在真空集热管的散热过程，热量的散失主要集中在玻璃套管与环境的散热，包含两部分，第一部分为玻璃套管与天空的热辐射，主要决定因素在于玻璃套管的温度、天空温度，上文提到随着导热流体的温度的上升，效率降低，一部分原因是因为导热流体温度上升，使得玻璃套管温度增加，从而使得辐射热损加大；第二部分为玻璃套管与环境的对流散热，决定因素为环境温度、环境风速，当环境风速较小或者没有风时，玻璃套管与环境的散热，按自然对流换热计算；当环境风速较大时，按强迫对流换热来计算；不论是自然对流还是强迫对流，均按照流体掠过单根圆管的原则来计算；最后是关于工质的选择问题，目前来讲均是用导热油来作为传热介质，导热油的比热容为0.5-0.8×103J/(kg∙K)，水的比热容为4.2×103J/(kg∙K)，可见导热油的比容为水的1/7，并且导热油在管路中最高可以达到400℃，所以导热油作为导热介质可以更容易吸收太阳光能量，并且升温非常快，使得热量可以达到较高品味进而再利用；不过目前有学者探索直接使用水作为导热介质，经过集热器加热产生蒸汽从而驱动汽轮机发电，并已有相关实验进行，相比导热油作为导热介质省去了换热装置，这里不再单独介绍了。另外提到一点是流量问题，流速不应过快，并且应根据环境条件来控制流速进而控制流量，太阳辐射较弱时，适当降低流速来尽可能的是流经集热器的流体进行升温，49 华中科技大学硕士学位论文太阳光较强时，可以增加流速尽可能的利用太阳光。最佳工况点，可以认为有两层含义，第一是效率最高点，第二是导热流体能够最大程度吸收热量，第二层含义更为重要，导热流体吸收的热量绝对值越大那么集热器性能越好，而不仅仅在于效率。根据这两个原则，将本章第三节各个因素下最高效率点列出表4-10，对于本集热器来讲，最佳工况点为太阳辐射最高，环境风速接近为零3（无风状态），且环境温度较高时，流量为1.2m/h，达到最大吸收的热量，最佳参数为第五组数据：表4-10最佳工况点下各参数22流量l/min太阳辐W/m环境温度℃环境风速m/s热损W/m实验效率%20249281.63.5664.520658351.15.2358.120651340.94.4762.320641331.55.3259.620702350.17.3556.34.5实验台架的不足与改进首先实验台架所用工质是水，利用水进行长时间的工质循环后会有部分地方泄露，因此会发生锈蚀，尤其是管道连接处，时间长了之后会阀门会卡住，由于管路循环的泵是循环油泵，给高位储液罐配置的也是给油泵，即设计的循环工质从最开始的设计就是导热油，如果使用水循环会降低给油泵、循环油泵的寿命，从而影响后续的实验安排与进展，所以如果后续再进行实验的话，将锈蚀的阀门更换，并且最重要的是封堵泄露管道，由于导热油会污染环境并且易燃，因此管道的密封需要做到非常到位，从而使得台架更为环保和精确。其次是传感器的校准，尤其是测量玻璃套管壁面的传感器，长期暴露在环境中，可能会出现零点漂移情况，这样一来测量出的数据无法保证精确性，还有测量导热流体温度的传感器亦有可能出现失准的状况，因此传感器的校准需要有相应的措施以及设备来保证传感器测量数据的准确性；对于流量计，目前出现的问题在于量程过大，3流量为1.2m/h时,量程仅为流量计的1/4，所以从数据准确性的保障来说，需要更换小量程的浮子流量计。50 华中科技大学硕士学位论文第三部分是循环管路中无缝钢管的散热问题，由于导热流体在管路中循环，因此在经过循环管路时不可避免的与环境散热，目前来讲由于循环管路的相对位置较低，处于无风状态，与环境对流散热较少，对于在夏季太阳辐射较强，温度较高的天气状况下，无缝钢管的表面温度经过太阳照射可以达到50℃，在天气状况良好的情况下，散热较少，不过在冬天等天气寒冷状况下，导热流体在管路中循环，无缝钢管与环境辐射散热也是必须考虑因素。最后关于软件监控系统，气象站的数据是专门的一个软件，而对于集热器的主要数据的采集与监控是通过组态王软件完成的，组态王一般是用于工业控制现场，采集到的为原始数据，并且台架的阀门多为手动控制，泵是通过电气开关控制，组态王软件不能发挥控制作用，只能相当于数据采集软件，因此改进目标是编制专门针对本实验台架的软件，不仅能够显示原始的温度流量等数据，还能够据此计算实验台效率。4.6本章小结本章首先讨论了武汉的气象条件，武汉的气候的明显特征是冬夏季分明，春秋两季的过渡时间很短，所以实验台架的观测数据以2014年7月20号的天气情况和2014年12月20号的天气情况对武汉天气进行介绍，每天的天气状况对槽式太阳能集热器的性能起着非常关键的作用，因此有必要对台架所在地的气候特征进行详细描述。其次是关于典型天气日的热损进行了计算，并计算出了本实验台架的效率，将计算出的效率与实验效率进行对比，从而进一步验证了模型的正确性，实验效率是通过导热流体吸收的热量与太阳辐射的比得到的，计算效率是太阳辐射减去热损得到的，在第二章第三节两种效率方法中有介绍。本章仅仅是对于典型天气日的实验台架效率进行了研究并绘制出了这两个典型日的效率曲线，对于影响集热器性能的环境因素以及其它因素在下一章节进行进一步的论述。另外本章针对影响槽式太阳能集热器效率的主要因素——太阳辐射、环境温度、环境风速等对集热器热损的关键因素进行了分析，讨论各个因素对于集热器效率的影响，环境因素对于集热器性能起着关键性的作用。51 华中科技大学硕士学位论文最佳工况点是关于环境因素的补充，在何种条件下才能最大程度的利用集热器吸收太阳光加热导热流体，效率最高点并不能完全反应集热器的最佳工况，效率最高的点仅代表热损占比较小，对于集热器最佳工况所考量的是导热流体吸收热量的绝对值，流量最佳点会接近最佳工况点，既能充分吸收太阳光能量，流速不会过快或者过慢使得导热流体获得合适能量，达到恰当品味。实验台架的主要工质是水，不能完全反应集热器的性能，如果试验中完全使用导热油可以对集热器进行更加深入的研究，导热油升温快，能够更快速感知环境因素变化，从而使得计算结果更精确，并且导热油最高能够达到300℃，这对于高温环境下集热器性能研究具有非常重要的意义，其他改进的是循环管路的保温目前做的不够充分，如果进一步增加保温层，从而进一步提高实验精度，减小实验误差。52 华中科技大学硕士学位论文5全文总结与研究展望5.1全文总结2本文的研究基础为建立的15m的槽式太阳能集热器实验台，描述了实验台架结构布局与功能，并建立数据采集系统来负责采集实验数据；并建立的集热器模型，模型分为三部分聚光镜模型、集热管模型、整体的集热器模型；模型的最终目的是为实验台架服务的，通过验证各模型进一步了解槽式太阳能集热器的传热散热过程，并结合实验数据来对比验证实验是否合理，实验数据是否准确；并分析影响集热器性能的主要因素，讨论台架的不足与改进。以下各部分为主要内容：（1）实验台架分为两部分，第一部分为集热器部分和气象站，集热器使用的跟踪控制系统为单轴跟踪控制系统，这也是目前主流的跟踪控制系统，结构简单，维护成本低，经济性好，内置单片机模块实现自动跟踪控制并有手动模式，手动模式下便于进行补偿误差并在需要清理聚光镜面时将抛物面旋转到容易清洗的角度，布置方式采2用的是东西水平布置，南北转动；聚光面积为15m，总计共12面反光镜面组成，三根每根2m长的真空集热管组成吸热管路；实验采集系统采集槽式太阳能集热器的各测点温度、流量数据，此外还有气象站的环境数据，包括太阳辐射、环境温度、环境风速这三个关键参数；实验台架和数据采集系统共同构成了本文研究内容的实验基础部分。（2）实验设计方案分为冬夏季两个季节工况，也是结合武汉气候特点来设计的，冬夏季的初始条件，在不进行工质循环条件下的实验台架的各测点的温度；初始条件决定着槽式太阳能集热器的主要热损，分为冬夏季相当于针对不同季节特点设定的大前提，在这个基础之上，研究环境因素对槽式太阳能集热器性能的影响，主要是环境因素——太阳直接辐射、环境温度、环境风速，除此之外还有太阳光入射角、流量、工质的选择，实验方案主要针对这些影响槽式太阳能集热器性能的主要因素来设计的，根据各方案的实验数据来分析对槽式太阳能集热器性能的影响，并计算对应因素下的槽式太阳能集热器的效率。53 华中科技大学硕士学位论文（3）针对本实验台架建立适当的模型，对于槽式太阳能集热器首先要考虑的就是聚光效率，聚光效率的影响因素包括太阳光的入射角、聚光镜面反射率、聚光镜面的清洁程度、支架的对太阳光的遮挡等，这些因素均影响着聚光效率，如何将这些因素拟合在一起来计算槽式太阳能集热器聚光效率就是集热器聚光模型建立的作用；真空集热管模型是关于真空集热管的散热模型，主要换热过程有金属吸收管外层与玻璃套管内层间的对流和辐射换热、玻璃套管内层和外层间的导热换热、玻璃套管外层和环境间的对流和辐射换热，第三部分换热过程直接决定着热损，进而决定着真空集热管的换热性能从而影响集热器的效率，真空集热管是集热器的核心部件，所以其传热模型直接影响着计算精度；对于集热器效率的的计算，准确的来说是两种等价方法，不同的思路，第一种方法是实验效率，即根据导热流体的进出口温度，计算出吸收的热量然后吸收的热量与太阳辐射能量之比即集热器效率；第二种方法是计算出热损，太阳辐射能量减去热损这部分能量与太阳辐射能量之比为计算效率；使用不同方法来得到集热器效率，从而保证实验精确度。（4）对于建立的实验模型使用了LS2集热器进行了验证，进而证明了模型的准确性，从而对于本实验台架得到的数据进行计算；讨论了武汉地区不同季节（冬夏季）条件下的典型天气日的热损，冬季光照时间较短，最高太阳辐射强度为夏季的2/3，由于冬季环境气温较低，造成冬季条件下的辐射热损增加，因此相同太阳辐射条件、相同风速状况下，其他循环条件相同，冬季的效率较低，从效率曲线明显可以看出这一点来，对于典型天气日，实验进行的是全天的实验，在不间断进行实验的过程中导热流体吸收的热量相当于累加的过程，所以导热流体温度不断升高，导热流体温度不断升高，玻璃套管温度逐渐上升，从而使得辐射热损增加，这也使得不论冬夏季典型天气日随着导热流体温度的升高，效率出现一定程度的降低。（5）对于影响集热器性能的因素——太阳辐射、环境温度、环境风速、入射角、工质、流量等因素进行详细分析，分析这些因素对于集热器效率的影响，太阳辐射以及入射角决定着入射能量，环境风速、环境温度影响着热损及流出的能量，合适的流量即流速不宜过快或者过慢，进而探讨出最佳工况点，最后关于实验台架的不足这里不再一一进行描述了。54 华中科技大学硕士学位论文5.2研究展望本文内容主要集中在集热器实验台架上，并针对武汉的典型天气进行了实验，分析影响集热器性嫩的主要因素，并绘制了效率曲线，但是精力有限和时间限制，不能以此为基础，进行更下一步的研究，所以针对本台架以及槽式太阳能集热器，认为还有以下方面值得深入研究：（1）这里是研究的是在武汉气象条件下的实验数据，如果推而广之，在我国西北西南等光照良好的条件下，即在这些地区的的气象条件下，对于本集热器的模型是否符合，在这些地区是否有性能上的提升。（2）实验使用的是水作为工质进行循环吸热，水的比热容较大，升温较慢，在光照较热，或者热损较大的情况下，不能及时反馈出热量利用情况，因此导热油作为导热介质相对于水来说更适合来研究集热器性能。（3）可以以本集热器为基础，计算建立一个10kW的集热单元需要多少个本集热器单元，并以此为基础建立simulink模型，导热介质为导热油，根据本集热器参数来模拟10kW电站的各个系统参数，为将来建立槽式太阳能电站提供指导意义。（4）目前槽式太阳能技术领域有直接将水作为导热介质，直接进行加热产生蒸汽，称作直接蒸汽生产系统（DSG），可以以本实验台架为基础，探讨是否能够利用DSG技术来进行研究。55 华中科技大学硕士学位论文致谢从2009年入校开始，我已经来到华中科技大学第六年，还记得当年刚到学校时的印象，校园如此的大，并且有这么多的树，在这么环境中求学是多么惬意的一件事情，在大学里学会了合作，学会了帮助他人，在自己遇到困难时，周围同学、师长也会帮助我，指导我生活、学业上的困难和挫折，这里非常感谢他（她）们，这里也非常感谢我美丽的母校——华中科技大学，它有如此多的资源，使我拓宽了视野，学到了知识，增长了见闻，为我进入社会打下了良好的基础。自己的科研工作离不开我的导师黄树红教授以及张燕平副教授对于我兢兢业业的指导，黄老师经常在百忙之中指导我的科研工作，指导我科研方法，还有论文写作的结构内容，并培养我认真做事、踏实做人的态度；张老师每周给予我指导，通过每周向张老师的汇报，张老师不断给我进行反馈，及时修正自己的科研路线，并督促我完成科研任务，感谢黄老师和张老师一直以来对我的关照和指导。同时感谢贺国强老师在实验工作上的指导，实验台架的建设和维护工作出现问题的时候一直是贺老师帮忙解决，并不断跟进我的实验台所遇到的困难是否解决，感谢贺老师一直以来对我的指导，帮助克服了我在实验台架建设上的困难，同时感谢课题组高伟老师、杨涛老师、王坤老师、李建兰老师、鲁录义老师和张小平老师对我的指导。感谢一起开会的课题组成员，听取863项目组的岳松师兄、潘剑师兄、朱志成关于有机工质汽轮机的介绍，增加了自己的科研视野，并且通过他们的讲解使得自己了解到了自己所不知道的知识，还有邹崇哲博士、张成博士关于太阳能项目的介绍让自己更清楚的认识到了自己的不足，还有郭盛博士的项目介绍，激励本人不断的努力攀登科研高峰。并且通过和大家一起开会，相互交流科研心得，探讨实验方法，研究实验工具的使用，使我认清了自己的不足，意识到自己需要不断的努力不断的进步才能使自己不会掉队，并在科研的道路上和大家并肩前行。感谢宿舍339的小伙伴们——李豫、叶骥、吴一鹏，他们生活上经常帮助我，在我遇到困难时，他们都会坚定的支持我感谢我的父母及家人，你们一直是我的坚强后盾，谢谢。56 华中科技大学硕士学位论文参考文献[1]高嵩,侯宏娟.太阳能热发电系统分析.华电技术,2009,31(1):70-74.[2]陈超,聂志刚,那小桃.槽式太阳能集热发电系统发展状况.工程研究:跨学科视野中的工程,2009,(4):314-318.[3]ZarzaE,ValenzuelaL,LeónJ,etal.Directsteamgenerationinparabolictroughs:FinalresultsandconclusionsoftheDISSproject.Energy,2004,29(3):635-644.[4]吴凯.我国“十二五”规划,太阳能热聚焦式发电项目汇总.http://blog.sina.com.cn/s/blog_685460150102dvn4.html.[5]PriceH,LupfertE,KearneyD,etal.AdvancesinParabolicTroughSolarPowerTechnology.JournalofSolarEnergyEngineering,2002,124(2):109-125.[6]Solarelectricgeneratingstations(SEGS).IEEEPowerEngineeringReview.1989,9(8):4-8.[7]安翠翠,张耀明,王军,刘德有,郭苏.太阳能热发电系列文章(13)——国际主要槽式太阳能热发电站介绍.太阳能,2007,07:16-20.[8]NandiBR,BandyopadhyayS,BanerjeeR.Analysisofhightemperaturethermalenergystorageforsolarpowerplant.In:IEEEThirdInternationalConferenceonSustainableEnergyTechnologies.IEEE,2012:438-444.[9]赵明智,姜鑫,宋士金,张晓明.槽式太阳能热发电技术在中国的发展现状及潜力分析.能源工程,2013,02:27-30.[10]陈宇奇.CSP太阳能热发电全球发展战略分析.http://news.dichan.sina.com.cn/2012/09/28/573091.html.[11]胡其颖.太阳能热发电技术的进展及现状.能源技术,2005,05:34-41.[12]袁建丽,林汝谋,金红光,等.太阳能热发电系统与分类(1).太阳能,2007,04:30-33.[13]杜春旭,王普,马重芳,等.线性菲涅耳太阳能聚光系统.能源研究与管理,2010,(3):7-9.[14]徐丽霜,李明,魏生贤,周希正.太阳能槽式聚光反射镜自动跟踪装置.云南师范大学学报(自然科学版),2006,01:30-33.[15]槽式太阳能热发电.http://baike.baidu.com/槽式太阳能热发电.57 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华中科技大学硕士学位论文附录攻读学位期间参与的科研项目[1]参与项目：国际合作项目——太阳能梯级集热发电系统关键技术合作研究主要工作：负责槽式太阳能实验台架的搭建和完善，并进行相应的集热实验时间：2014.04~2015.05[2]参与项目：商用航空发动机振动状态监测和故障振动系统的研究和开发主要工作：商用航空发动机振动故障机理研究时间：2013.09~2014.0361
