1、143边港兴等槽式太阳能倒梯形腔体接收器热性能实验研究及分析第 2 期第 42 卷 第 2 期2023 年 4 月内蒙古工业大学学报（自然科学版）Journal of Inner Mongolia University of Technology（Natural Science Edition）Vol.42 No.2Apr.2023文章编号：1001-5167（2023）02-0143-06槽式太阳能倒梯形腔体接收器热性能实验研究及分析边港兴1，王志敏1,2，邓天锐1，产文武1,袁拓1（1.内蒙古工业大学 能源与动力工程学院，呼和浩特 010051；2.内蒙古工业大学 风能太阳能利用技术教育部
2、重点实验室，呼和浩特 010051）Experimental study and analysis of thermal performance of trapezoidal cavity receiver for trough solar energy systemBIAN Gangxing1,WANG Zhimin 1,2,DENG Tianrui1,CHAN Wenwu 1,YUAN Tuo 1收稿日期：2022-12-05基金项目：内蒙古自治区自然科学基金项目（2020LH05016）；内蒙古工业大学科学研究项目（ZZ201907）；内蒙古工业大学博士基金项目（BS201932）第一作
3、者：边港兴（1997），男，2021 级硕士研究生，主要从事槽式太阳能热利用研究。E-mail:通信作者：王志敏（1982），女，博士，副教授，主要从事槽式太阳能热利用研究。E-mail:(1.School of Energy and Power Engineering,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010051,China;2.Key Laboratory of Wind and Solar Energy Utilization Technology,Hohhot 010051,China)Abstract:In this st
4、udy,the thermal performance of the trapezoidal cavity receiver suitable for trough solar energy system was experimentally tested to investigate the influence of different factors on the system performance.Comprehensive evaluation was conducted based on multiple indicators such as heat loss rate,ther
5、mal efficiency,and heat transfer coefficient.The results showed that the flow rate,heat transfer fluid temperature,and environmental wind speed had a significant impact on the thermal performance within the studied range.Both heat loss rate and thermal efficiency decreased with the increase of flow
6、rate.The maximum heat loss rate of 57.11%was achieved when the heat transfer fluid inlet temperature reached 363 K,whereas the maximum thermal efficiency of 8.43%was achieved when the heat transfer fluid inlet temperature reached 355.7 K.When the wind speed increased from 0.8 m/s to 2.6 m/s,the heat
7、 loss rate increased by 70.1%,and the thermal efficiency decreased by 16.5%.The heat transfer coefficient was significantly affected by the changes in the heat transfer fluid inlet temperature and flow rate.Key words:trough solar energy;cavity receiver;thermal efficiency;heat loss摘 要：针对适用于槽式太阳能系统的倒梯
8、形腔体接收器，通过实验测试了不同因素对系统热性能的影响，并基于热损失率、效率及系数等多指标进行综合评价。研究结果表明：在研究范围内，流量、传热工质温度、环境风速对热性能的影响较大。热损失率和效率均随流量的增大而减小。工质入口温度达到 363 K 时，热损失率达到最大值为 57.11%；工质入口温度达到 355.7 K 时，效率达到最大值为 8.43%；风速由 0.8 m/s 增大至 2.6 m/s，热损失率增加了 70.1%，效率减小了 16.5%。系数受工质入口温度、流量的变化影响较为显著。关键词：槽式太阳能；腔体接收器；效率；热损失中图分类号：TK 513.3 文献标志码：A 槽式太阳能聚
9、光集热装置主要由抛物面反射镜、接收器、跟踪控制系统和支撑结构组成。接收器实现系统光热耦合转化，一般分为真空管式和基于黑腔效应的腔体式。前者的热损失率较低，但后者制造工艺简单、稳定性更好。腔体接收器由于其结构特点通常存在热损失较大的问题，因此研究并揭示各因素对腔体接收器热损失的影响规律可为进一步优化腔体性能提供理论基础。在热传递过程中，接收器受结构特性、运行参数和环境因素的影响，导致了较大的热损失1-2。TAN Y T 等3针对应用碟式太阳能的半球式腔体接收器，通过室内实验的方法研究了入口温度对系统热损失的影响。MOHAMAD K 等4研究发现腔体接收器热损失会受到表面发射率、质量流量、传DOI
10、:10.13785/ki.nmggydxxbzrkxb.2023.02.005144内蒙古工业大学学报（自然科学版）2023 年热工质温度和风速等因素影响。LI X L 等5和李雪岭等6针对一种腔体接收器分析了倾斜角度、入口温度、涂层发射率和孔径宽度对热性能的影响。LIANG H B 等7针对太阳能槽式聚光集热系统，设计了一种新型腔体接收器，采用了实验和模拟相结合的研究方法进行了热性能测试和验证。宋子旭等8提出一种适用于抛物槽式集热器的太阳能腔式接收器,建立三维传热模型，通过实验分析了环境温度、风速等环境参数和传热工质、进口温度、流量等工作参数对系统性能的影响。高鑫磊等9主要针对一种新型腔式接
11、收器，搭建实验平台，通过建立一维非稳态传热模型和基于 MATLAB 软件的模拟，进行了实验测试及模型验证。目前基于腔体接收器热性能的研究评价指标相对单一，且不同结构腔体接收器的热性能规律并不具有普适性，因此本文针对一种适用于槽式太阳能系统的倒梯形腔体接收器搭建槽式聚光集热系统实验平台，通过理论和实验测试的方法分析工质入口温度、流量、太阳辐照度、环境温度和环境风速等因素对槽式太阳能腔体接收器热性能影响，并采用热损失率、效率和系数等指标进行综合量化，从能量的数量和能量的“品质”出发进行评价。该研究对减少腔体接收器热损失，优化其集热性能具有重要的理论意义和工程应用价值。1实验测试系统实验系统由双轴跟
12、踪平台、槽式聚光镜、倒梯形腔体接收器、支撑装置、水箱、浮子流量计以及泵等组成。其中双轴跟踪平台采用某公司生产的全自动双轴光敏式跟踪系统，该系统由传感器、控制系统、机械传动系统构成，用到的槽式聚光装置为抛物型槽式聚光器10。实验中所使用的仪器及相关参数如表 1 所示。该实验测试使用水作为流动工质。根据当地太阳直接辐照度(DNI)变化情况，测 试 时 间 段 选 取 5 月 20 日 至 6 月 20 日 每 天 的10:0014:00；测试期间DNI稳定在700 W/m2以上；环境风速变化范围为 03 m/s；选取 500、700、1 000 L/h 流量工况；水箱初始温度为 297300 K之
13、间；测试过程中，数据采集记录间隔为 10 s，为消除偶然因素，太阳直射辐射、环境风速、腔体接收器进出口温度数据均以 1 min 为单元，取单元时间内的平均值。研究使用的接收器为实验室自行设计的一种基于黑腔效应的倒梯形腔体接收器10，剖面结构见图 1。2槽式太阳能腔体接收器热损失理论基础2.1 系统热损失率槽式太阳能系统光热实验中致使系统产生热损失是一个多元综合影响的结果11。本研究中槽式太阳能系统采用双轴跟踪方式，跟踪精度较高，采用基于黑腔原理的倒梯形腔体接收器作为光热耦合装置，系统中管道和水箱都使用了聚乙烯保温，因此流动管路及水箱的热损量较小，可忽略。本文主要研究由于腔体接收器热传递产生的热
14、损失，测试时先对聚光镜进行清洁，保证镜面洁净度，可忽略该部分光学损失影响。为了避免聚光镜反射率的影响，在瞬时集热效率的计算中，系统接受能量为聚光镜反射的辐射能12，即：随着太阳辐照度、环温、风速等气象的变化，系统的集热效率是瞬时的，因此定义系统瞬时集热效率平均值为平均集热效率为 t，其数学公式为：表 1主要仪器仪表Table 1Main apparatus and instruments仪器名称型号精度/%浮子流量计恒温LZB-251.50磁力循环泵MP-100R热电偶K0.75数采仪TP7000.20图 1倒梯形腔体接收器的剖面结构Fig.1Profile structure of the
15、inverted trapezoidal cavity receiver吸热管光孔腔体内壁外壳保温层(1)(2)ttt145边港兴等槽式太阳能倒梯形腔体接收器热性能实验研究及分析第 2 期瞬时热损失率即损失的总能量与得到的总能量之比，瞬时热损失率公式可以表示为：受实验环境影响，瞬时热损失率是随时间变化的，定义实验时间段内的瞬时热损失率的积分平均值为平均热损失率，其数学公式如下：式中：t为系统瞬时集热效率；Qh为系统工质瞬时获得热量，W；Qc为聚光镜接收能量，W；t为系统平均集热效率；为系统瞬时热损失率；s为系统平均热损失率；cp为水的定压比热容，J/(kgK)；m 为质量流量，kg/h；Tou
16、t为出口水温，K；Tin为进口水温，K；I0为太阳直接辐照度，W/m2；Ac为聚光镜开口面积，m2。无风时，腔体接收器与环境换热方式为自然对流传热，对应的努赛尔数为：有风时，腔体接收器与环境换热方式为强制对流传热，对应的努赛尔数为：式中：Ra 为以接收器对应部件的直径为特征长度的瑞利数；Pr 为外界空气的普朗特数；g 为重力加速度，m/s2；为空气体积膨胀系数；T 为接收器与环境之间的温差，K;Lr为特征长度，m；v 为空气运动粘度，m2/s；a 为热扩散系数，m2/s。式中常数 B 和 m 的值如表 2 所示。2.2 系统效率由热力学第二定律可知，温度的变化会导致同等数量热量中可用能量随之变化，系统集热效率是体现系统获得热量的物理量，通过建立平衡方程，考虑各过程中的损失，评价过程的效率。效率被定义为收益与支付的比值，用 e表示。本文同时从能量品质的角度，通过效率 e对多因素下腔体接收器的热性能进行评价。效率 e计算公式 如下：对于接收器来说，工质在吸热增温过程中所造成的熵增，属于不可逆的熵损失，还有由高温工质向环境的热扩散损失。由于这些损失的存在，导致工质吸收的能量只有一部分能够作为
