南京工业大学：微型抛物槽式太阳能集热器集热特性研究

　　太阳能以其高效清洁、分布广泛、储量丰富等优点已被广泛应用。如太阳能热水器由于其节能可靠、易于与建筑结合等优点，应用最为广泛，但其集热温度低，一般仅用于生活热水供给等场合；而大型太阳能聚光器可产生中高温热能，热品位高，可广泛应用于工业、发电等领域。但其空间占有量大、填充因子较小、投资成本高。若将聚光型太阳能集热器与平板式太阳能热水器的优点相结合，设计出微小型的太阳能聚光器，既可提供中温热能，也可充分利用建筑空间资源，实现太阳能与建筑一体化，降低建筑能耗。

　　国内外有很多科研工作者已经开展了相关研究工作。Walter等[1]公司设计了一款微小型线性菲涅尔聚光器，该聚光器聚光比高、质量轻、高度低，安装在屋顶上，其热效率为48%，光学效率可达75%，且单位面积的系统安装费用较低，并于2011年实现商业化；Dhakal等[2]受生物复眼启发，设计了一款厚度仅为11 mm的平板式太阳能聚光器，聚光比可达39，但由于结构复杂，加工困难，仍处于研究阶段；Gu等[3]提出一种新型便携式CPC(复合抛物面聚光器)太阳能集热器，光学效率高，无需跟踪，成本低廉，集热温度可达250 ℃；Li等[4]设计了一种双透镜的平板式太阳能聚光器，高度仅为100 mm，且CPC可左右移动实现对太阳的实时跟踪，光学效率可达72%，集热效率约为50%，集热温度达到220 ℃；李开春等[5]对平板型太阳集热器的热损失进行了理论分析，并建立了数学模型，计算热损失系数。

　　综上所述，国内外对太阳能集热器的研究成果颇丰，但技术难题依然存在。为了实现空间资源的充分利用，对于集热器微型化的研究较多，主要聚光类型为CPC以及菲涅尔式。而较少有人将抛物槽微小型化，与平板型集热器结合，取代吸热板，使集热器聚光比达到3.4，提供中温热利用，并与建筑良好契合。

　　设计了一种微型抛物面槽式聚光集热器，其高度仅为120 mm、体积较小且聚光比为3.4，并对其热力学效率进行理论计算，对不同工况下集热器的热效率进行讨论，采用Fluent模拟计算来验证理论模型的准确性，为微小型抛物面槽式聚光集热器与建筑的一体化应用提供理论依据。

　　1 微型抛物面槽式聚光集热器设计

　　微型抛物面槽式聚光集热器由若干个微型抛物面槽式反射镜组合而成，考虑到安装误差等因素，相邻两槽式反射镜面之间存在一定的间隙；为了实现槽式反射镜面对太阳的一维跟踪，将抛物槽的焦线、抛物槽的旋转轴线与集热管轴线三者重合，因而在集热管保持不动的情况下，通过驱动机构(此处选用齿轮齿条机构)驱动抛物槽旋转；集热管采用紫铜管，外表面涂有选择性吸收涂层；为保持反射镜面清洁度，将抛物槽、集热管和跟踪装置封装于扁盒状的腔体内，上层为玻璃盖板，侧面和底面为保温层。微型抛物面槽式聚光集热器的原理图如图1所示，具体参数如表1所示。

　　2 集热器的热力学分析

集热特性是太阳能集热器的重要性质之一。图2为本文所设计的太阳能集热器能量交换关系示意图。

入射的平行光束，大部分透过玻璃盖板聚集到集热管上，较少被玻璃吸收和反射，集热管壁上的能量大部分被吸收转换为导热油的内能，较少被反射回玻璃。由于集热管温度升高，对外热辐射增大。同时，玻璃盖板和壳体向外界传输热量，造成集热器的热损失[6]。为研究其集热特性，分别以玻璃盖板、工质和集热管为研究对象，建立了热力学理论模型。建模时，忽略了空气和抛物槽吸收的热量。另外，所有物性参数如表2所示，如玻璃和导热油的比热容等，均视为常数。

玻璃盖板某一瞬时吸收的净能量等于其吸收的入射能量与集热管对其辐射的能量和，减去其外部辐射换热与对流换热的能量。

Achc(Tc-ta)

(1)

式中:Ac为玻璃盖板的面积，m2；Mc为玻璃盖板的质量，kg；Tc为玻璃盖板的温度，K；σ为斯特潘-玻尔兹曼常数;qr/c为玻璃盖板与集热器的辐射传热效率。

玻璃盖板吸收的能量q0为

q0=Iαc

(2)

式中I为太阳直接辐射，W/m2。

根据文献[7]可得玻璃盖板与集热器的辐射传热速率qr/c为

(3)

式中Tr为集热管的温度，K。

集热管某一瞬时吸收的净能量等于其吸收的入射能量之和，减去其对外辐射能量、与外部空气换热能量以及被导热油吸收的能量之和

(4)

式中W1为透过玻璃盖板被集热器吸收的太阳辐射，由集热管上表面吸收的能量以及集热管下表面吸收的能量组成，该方程为

W1=0.5ArIτcas+0.5ArIτcas fC′

(5)

集热管下表面的聚光比C′为

(6)

集热管内导热油吸收的净能量等于集热管与导热油对流换热的能量

hqAr′(Tr-tin)=CqMq(Tq-tin)

(7)

式中：Mq为导热油的质量流量，kg/m2；Tq为导热油的温度，K。

工质流量等于工质密度、集热管截面积、流动速度的乘积

Mq=ρπv

(8)

式中v为导热油流动速度，m/s。

集热器的热效率等于管内工质获得的能量与集热器接收的能量之比为

(9)

集热器的聚光比等于接收太阳辐射的面积(玻璃盖板的面积)与集热管面积的比值

(10)

　　3 模拟计算

　　3.1 网格划分及边界条件

为验证理论模型的合理性和正确性，采用CFD软件对所设计的集热器集热特性进行模拟计算。笔者采用ANSYS ICEM建立几何模型并进行网格划分，本模型共3个计算域：固体域、液体域、空气域，将三者组装导入Fluent中，选择压力求解器，开启能量方程、选用层流模型，打开DO辐射模型模拟集热器内部各个表面之间的辐射换热，能量方程收敛标准设定为10-7，运用SIMPLE算法对集热器内外部能量流动进行三维数值模拟。经网格无关性验证，在满足计算精度的前提下，网格总数为322万个，总网格划分如图3所示，由理论计算得出玻璃盖板的热力学影响较小，因此模拟计算时只考虑了其光学损失。

入口边界为速度入口边界、出口边界为压力出口。工质为导热油，导热系数为0.458 W/(m·K)，动力黏度为0.021 5 Pa·s，导热油入口初始温度 298 K，各壁面以及环境温度为293 K，集热管材料为铜，其余各物性参数与理论模型一致，不再赘述。

　　3.2 太阳辐照度与环境温度对集热器热效率的影响

太阳辐照度是集热器的热源，对系统的热效率至关重要。不同太阳辐照度下的热效率、出口温差分别如图4和5所示，当工质流速为0.05 m/s，环境温度为293 、298 、303 、308 K，太阳辐照度从400 W/m2升至1 kW/m2时，集热器的热效率分别增加了5.48%、5.56%、5.71%、5.75%，导热油出口温度分别提高了36.18、36.64、37.10、37.52 ℃，由此可知，提高太阳辐射照度，能够有效提高集热器的热效率以及工质出口温度。且在清晨或者夜晚以及多云阴雨气候[8]，太阳辐射强度都比较低，一般的集热器热接收不到充足的能量，导致热效率降低，影响其高效运行，从而需要补充能源。而本文设计的集热器聚光比达到3.4，在辐照度较低的天气下，依旧能有效运行。

太阳辐照度分别为400、600、800、900 W/m2、1 kW/m2 时，环境温度从293 K提高至308 K时，集热器的热效率分别增加了2%、2.31%、2.18%、2.11%、2.09%，导热油的出口温度分别提高了0.73、1.26、1.59、1.73、2.06 ℃，环境温度的升高，降低了玻璃管壁与外界的对流换热和辐射换热强度，热损失的减少使热效率增加，但由于集热器的保温性能较好，环境温度对集热器的热效率以及进出口温差影响较小。

　　3.3 进口工质流速对集热器效率的影响

图6为太阳辐照度为1 kW/m2、环境温度293 K、工质流速0.015 m/s时集热器内部温度分布云图。其中集热管壁温度最高，导热油受热温度沿蛇形管递增，如图7、8所示，流速从0.02 m/s增至0.05 m/s时，热效率增加了8.11%，出口温差降低了68.38 ℃，导热油流速的增大，减少了导热油在管道内集热的时间，降低了其出口温度。由于流速的加快，增大了集热管与导热油的对流换热系数，强化了换热能力，从而提高了集热器的热效率。

　　3.4 工质进口温度对集热器热效率的影响

导热油进口温度是衡量集热器集热性能的重要影响因素。图9、10分别为1 kW/m2、0.05 m/s、293 K工况下进口温度对集热效率以及进出口温差的影响规律。随着进口温度的升高，集热管温度升高，与环境间的辐射和对流热损增大，导致集热效率降低，进出口温差降低。进口温度由25 ℃升高至100 ℃，集热效率降低了6.79%，进出口温差降低了6.17 ℃；进口温度从100 ℃上升到200 ℃，集热效率由55.85%降低至36.18%；进口温度为145 ℃时，理论集热效率约为51.43%，出口温差46.74 ℃，故集热温度控制在200 ℃以内，能够获得较高的平均热效率。

　　3.5 归一化分析

图11为Fluent模拟和热力学理论计算归一化曲线，当归一化温差值逐渐增大时，瞬时热效率逐渐减小。当归一化温差为0时，集热器热效率达到峰值67.23%。

对比分析图4至图10中模拟仿真和理论计算曲线，发现理论计算的热效率值较高，而进出口温度相差较小。这是由于理论模型中忽略了集热器底部与周围环境之间的热辐射和热对流，以及保温材料与壳体之间的热交换等。当集热器内部升温时，这些热损失也随之有小幅度增加。该集热器内工质从入口流出出口时间较短，且理论计算与模拟仿真的热效率相差较小，所以二者的出口温差也较小。综合分析，理论计算曲线与模拟仿真曲线吻合度较高，误差值较小，确保了该微型抛物槽式太阳能集热器传热模型与仿真模型的合理性，能够较为准确地判断各因素对集热器热效率的影响。

根据文献[9]中常规阳台壁挂集热器的归一化曲线图，绘制出图12模拟仿真结果与常规阳台壁挂集热器的对比曲线，较为直观地发现微型槽式太阳能集热器的热效率较常规阳台壁挂集热器有较大提升，且常规阳台壁挂集热器仅能提供100 ℃内的热水，而微型槽式太阳能集热器能够提供200 ℃的高品位中温热能。

　　4 结论

1)设计了一种高度仅为120 mm、聚光比为3.4的微型槽式太阳能集热器；

2)建立了集热器的热力学理论模型和Fluent模型，采用数值模拟的方法对集热器的热效率进行分析，所得模拟仿真以及理论计算的曲线图吻合度较高，平均误差值控制在5%以内，确保了该理论计算以及模拟仿真的准确性；

3)通过研究分析发现，对本文设计的微型抛物槽式太阳能集热器而言，太阳辐射强度、工质流速与进口工质温度对热效率影响较为显著，而环境温度的影响较小，集热器热效率可达67.23%；

4)该集热器的外形微小规则，易与阳台栏板相结合，在提供中温热能的同时，占地面积小、与建筑结合美观，降低建筑能耗，具有广泛的应用前景。

　　参考文献：

[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] 李开春，刘广虎，王晓静，等.平板型太阳集热器的热损失分析[J].太阳能，2013(19):27.

[6] 胡小芳，高文峰，刘滔,等.平板型太阳能集热器的热损失分析[J].太阳能，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] 韩雪，王志敏，田瑞，等.槽式太阳能集热器热效率的数值模拟研究[J].太阳能学报，2016，37(9):2265.

[9] 闫芳，马光柏，夏麟.阳台栏板式聚光集热器与建筑的一体化应用研究[J].建筑技术，2017，48(7):711.

　　杨谋存，工学博士，教授，硕士生导师。主持国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等国家和省部级项目多项；参与多项国家自然科学基金、国家科技支撑计划课题和省部级项目；入选江苏省“六大人才高峰”高层次人才培养计划；申请发明专利5件（授权3件），发表论文30余篇，其中SCI/EI收录10余篇；获得中国民用航空协会科学技术奖三等奖1项。目前主要从事太阳能热利用技术、多能互补耦合供能技术、优化设计理论与方法、纳米流体稳定性以及机械结构的寿命预测和可靠性研究和教学工作。

　　注：本文经完善后已在《Applied Energy》期刊上正式发表。