PDF《槽式太阳能集热系统集热性能试验研究》

2018年11月 农业机械学报第49卷 增刊 d o i :

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4 1 / j . i s s n .

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1 2

9 8 .

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1 8 . S

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0 4

2 槽式太阳能集热系统集热性能试验研究 钱旺王振华 马赛刘贵林 贺刚罗金海 ( 中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院有限公司,呼和浩特

0 1

0 0

1 0 ) 摘要:槽式太阳能集热系统在太阳能热发电领域的应用比较成熟, 由于其光 热转化效率高的特点, 近些年在牧草 干燥领域的应用也越来越多.为了进一步提高牧草干燥效率, 以槽式太阳能集热系统作为稳定的干燥热风能源输 出, 研究其真空集热管集热性能和热损失是槽式太阳能热利用的关键.利用槽式太阳能集热系统加热导热油储 能, 通过追踪真空集热管进、 出口温度和真空集热管内温度, 阐述了进入真空集热管内的导热油瞬时温度与集热器 瞬时光热转换效率和真空管热损失的关系.结果表明, 集热器瞬时光热转换效率与导热油进入真空集热管的温度 有关, 进入真空集热管导热油温度越低, 换热越充分, 真空集热管热损失越少, 真空集热管瞬时光热转换效率越高. 加大真空集热管出口和入口的导热油温差是提高槽式太阳能集热蓄热能力的关键. 关键词:牧草干燥;

槽式太阳能集热系统;

集热性能;

试验 中图分类号:S

2 2

6

6 ;

S

2 1

4

4 文献标识码:A 文章编号:1

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1 2

9 8 (

2 0

1 8 ) S

0

0 3

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0 7 收稿日期:2

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8 0

7 1

0 修回日期:2

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8 0

8 2

0 基金项目:国家重点研发计划项目(

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1 6 Y F D

0 7

0 1

7 0

0 ) 作者简介:钱旺(

1 9

8 2 ―) , 男, 高级工程师, 主要从事畜牧机械研究, E m a i l :q i a n w a n g

0 3

1 9 @1

6 3 . c o m 通信作者:马赛(

1 9

8 3 ―) , 男, 高级工程师, 主要从事畜牧机械研究, E m a i l :7

5 2

0 1

5 7

8 8 @q q . c o m E x p e r i me n t o nC o l l e c t o rP e r f o r ma n c eo f P a r a b o l i cT r o u g h S o l a rC o l l e c t i n gS y s t e m Q I A NWa n g WA N GZ h e n h u a MAS a i L I UG u i l i n H EG a n g L U OJ i n h a i ( H o h h o t B r a n c ho f C h i n e s eA c a d e m yo f A g r i c u l t u r a l Me c h a n i z a t i o nS c i e n c e s C o . , L t d . ,H u h h o t

0 1

0 0

1 0 ,C h i n a ) A b s t r a c t :B e c a u s eo f i t sh i g hp h o t o t h e r m a l c o n v e r s i o ne f f i c i e n c y ,t h ep a r a b o l i ct r o u g hs o l a r c o l l e c t i n g s y s t e m i ns o l a rt h e r m a lp o w e rg e n e r a t i o ni sm o r em a t u r e .T h e r e f o r e , i nr e c e n ty e a r sm o r ea n dm o r e a p p l i c a t i o n s w e r em a d ei nt h ef i e l do f f o r a g ed r y i n g .I no r d e r t of u r t h e r i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f f o r a g e d r y i n g ,a s s t e a d yo u t p u t o f d r yh o t w i n de n e r g y , t h ep a r a b o l i ct r o u g hs o l a rc o l l e c t i n gs y s t e m ,t h eh e a t c o l l e c t i n gp e r f o r m a n c ea n dh e a t l o s s o f v a c u u mh e a t c o l l e c t i n gp i p e s w e r es t u d i e d .T h r o u g hs t u d y i n g , t h e f a c t o r s t h a t i m p r o v e dt h eh e a t g a t h e r i n ge f f i c i e n c yo f t h es y s t e mw a s f o u n do u t .T r a c k i n gt h ei n l e t ,o u t l e t a n di n n e r t e m p e r a t u r e s o f av a c u u m h e a t c o l l e c t o r b yh e a t i n gt h eh e a t t r a n s f e r o i l s t o r a g ee n e r g yu s i n ga s l o t s o l a r h e a t c o l l e c t o r s y s t e m .T h ee f f e c t o f i n s t a n t a n e o u s t e m p e r a t u r eo f h e a t t r a n s f e r o i l w a s d i s c u s s e d f r o m d i f f e r e n t a n g l e s ,e s p e c i a l l yw h e ne n t e r i n gv a c u u m h e a t c o l l e c t o ro nt h et r a n s i e n t h e a t c o n v e r s i o n e f f i c i e n c yo fh e a tc o l l e c t o r . I tc a n b ed e d u c e d f r o m t h eo p p o s i t es i d et h a tt h ei n s t a n t a n e o u sh e a t c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo ft h ec o l l e c t o rw a sr e l a t e dt ot h et e m p e r a t u r eo ft h eh e a tg u i d em e d i u m w h e n e n t e r i n gt h ec o l l e c t o r .T h e l o w e r t h et e m p e r a t u r eo f t h e h e a t t r a n s f e r o i l o f t h e c o l l e c t o r w a s ,t h em o r e f u l l t h eh e a t e x c h a n g ew a s ,a n dt h el e s s t h eh e a t l o s s o f t h ev a c u u mh e a t c o l l e c t o r c a nb eg o t ,t h eh i g h e r t h e i n s t a n t a n e o u s h e a t c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f t h ec o l l e c t o rc a nb eo b t a i n e d .S oh o w t oi n c r e a s et h eh e a t t r a n s f e r o i l t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h eo u t l e t a n di n l e t o f t h ec o l l e c t o r w a s t h ek e yt oi m p r o v et h e h e a t s t o r a g ec a p a c i t y . Ke yw o r d s :f o r a g ed r y i n g ;

p a r a b o l i ct r o u g hs o l a r c o l l e c t i n gs y s t e m ;

g a t h e r i n gp e r f o r m a n c e ;

e x p e r i m e n t

0 引言 槽式太阳能集热系统在太阳能热发电领域最为 成熟, 在国外, 槽式太阳能发电系统已经有多年的大 规模商业化应用经验[ 1-2 ] .L u z 公司

1 9

8 4 ―1

9 9 1年 间在美国加利福尼亚州 Mo j a v eD e s e r t 陆续兴建 9座 槽型抛物面太阳能电站.美国加州太阳能电站的槽 型抛物面太阳能集热器目前已经从 L S 1型发展到 L S 3型[

3 ] .G A R C I A等[

4 ] 对单程和双程槽式集热 器的传热 和流动特性进行了数值研究, 并与美国Sandia实验室的数据进行了对比分析, 研究表明双 程集热器的热效率比单程集热器要高.Y O N G等[

5 ] 研究了一种双层玻璃抛物槽式太 阳能 集热 器的性 能, 设计了 4种不同的吸热管布置方案, 以空气为工 作工质, 考虑太阳辐射、 散射、 遮挡效应对集热器的 影响.国内对槽式太阳能集热技术的关注较晚, 产 业也多集中在高温太阳能热发电上.文献[ 6-7 ] 结合热力学第一定律与热力学第二定律, 对槽式太 阳能直接产生蒸汽热发电系统进行了传热和 分析. 王志锋[

8 ] 对单轴跟踪太阳聚集系统进行了光学分析, 重点分析了集热管内流体混合对流的传热过程. 槽式太阳能集热系统除了可以用于发电外, 近 些年在工、 农业领域也开始应用[

9 ] .鉴于我国目前 还没有成熟的商用槽式太阳能集热系统, 一般其需 求的温度范围为

1 0 0~

3 0

0 ℃[

1 0 ] .适合的工艺或过程 有清洗、 干燥等[

1 1 ] , 主要应用于牧草加工领域[

1 2 ] . 本文针对牧草干燥所需热风温度, 选择合适的 蓄热材料, 研究槽式太阳能集热系统真空集热管的 集热性能和热损失, 找出提高系统集热效率的因素.

1 总体结构和工作原理 试验使用的槽式太阳能集热系统是由太阳能聚 光集热器、 自动追踪系统、 导热油循环系统、 热风扩 散系统、 控制系统和可移动平板拖车系统 6部分组 成, 如图

1 、 2所示, 图 2中 I b 表示太阳直辐射强度 ( 单位: W/ m

2 ) , m表示导热流体流量( 单位: k g / m

2 ) , T

0 表示真空管入口温度( 单位: ℃) , T

1 表示测点温度 ( 单位: ℃) , T i表示真空管出口温度( 单位: ℃) .试 验过程要确保油温的恒定, 主要通过油箱、 温控仪、 加 热器和油泵的组合和联动来实现.温控仪通过程序 直接调用可调加热器, 根据油箱内温度传感器测得的 温度来开启加热器的加热功能, 确保恒温条件的实现. 具体工作流程为: 设定恒温油箱温度值, 启动油泵, 开 启加热器, 导热油途经循环泵、 流量计、 流量调节阀、 吸 热器、 集热器, 上下保温油箱进行回路循环并加热. 图1试验系统实物图 F i g .

1 P h y s i c a l m a p p i n go f t e s t s y s t e m 图2试验系统工作原理图 F i g .

2 Wo r k i n gp r i n c i p l e so f t e s t s y s t e m

1 . 槽式太阳能镜片

2 . 自动追踪系统

3 . 流量计

4 . 循环泵

5 . 控制系统

6 . 油箱

7 . 真空管集热器 槽式太阳能集热系统试验时, 真空集热管内的 导热油工质被加热, 温度升高的工质回流储存在油 箱中.在试验研究过程中, 通过温度传感器记录保 温油箱内的工质和真空集热管入口、 出口处的工质 温度, 工质的流量通过流量计记录, 系统的环境参数 由环境记录仪进行记录, 太阳直辐射仪记录试验当 天的太阳直辐射强度, 且记录的数据均储存在计算 机中.槽式太阳能集热系统参数见表

1 . 表1槽式太阳能集热系统参数 T a b .

1 P a r a me t e r so f p a r a b o l i ct r o u g hs o l a rc o l l e c t i n gs y s t e m 参数 数值 / 方式 参数 数值 / 方式 聚光方式 槽式抛物面 集热面积 / ( m m*m m )

3 0

0 0*

40 0

0 聚光焦距 / m m

12 8

0 抛物镜宽度 / m

3 抛物面镜片数 / 件8集热玻璃管径 / m m

1 0

0 金属管管径 / m m

4 2 集热管长度 / m

4 设备质量 / k g

10 0

0 功率 / k W

4

5 频率 / H z

5 0 转速 / ( r ・m i n -

1 )

2 8

0 0 风机输入电压 / V

3 8

0 气压 / k P a

20 0

0 导热油燃点 / ℃

3 2

0 油箱最大容量 / L

2 5

0 集热温度 / ℃ ≤2

8 0 跟踪方式 单轴自动 追踪精度 / ( ° ) ±

1 时控跟踪速率 / ( ( ° ) ・h -

1 )

1 5 东西跟踪角 / ( ° ) ≤1

4 5 电动推杆行程 / m m

9 0

0 外形尺寸 / ( m m*m m*m m )

66 0 0*

30 0 0*

2 7

5 0 系统电源电压 / V

2 4 设备总电源电压 / V

3 8

0 (

5 0H z )

1 2

3 增刊 钱旺 等:槽式太阳能集热系统集热性能试验研究

2 试验仪器及设备

2

1 温度传感器 由于集热管的温度很高, 本试验采用高温型温 度传感器, 凡是安装于腔体的温度传感器, 均采用定 制型带螺纹的温 度传感器, 保 温油 箱内安 装Pt100型高温传感器, 温度传感器参数如表 2所示, 图 3为 温度传感器的实物图. 表2温度传感器参数 T a b .

2 T e mp e r a t u r es e n s o rp a r a me t e r s 名称 类型 温度 / ℃ 精度 / ℃ 带螺纹温度传感器 P t

1 0

0 0~

3 0

0 0

1 高温型温度传感器 P t

1 0

0 0~

3 0

0 0

1 图3温度传感器 F i g .

3 T e m p e r a t u r es e n s o r

2

2 流量计 流量计选用具有差压管的耐高温孔板流量计, 差压管材料为

3 0 4号不锈钢, 流量测量范围

0 1~

6 0m

3 / h , 精度为

1 0级, 工作温度小于等于

4 0

0 ℃, 工作压力小于等于

1 6MP a .在测量导热油流量过 程中, 为减少该流量计的热损失, 试验采用硅酸铝保 温棉包裹流量计的差压管道进行保温.

2

3 循环泵 循环泵工作温度小于等于

5 0

0 ℃, 循环 泵的电 机选用三相异步交流电机, 额定功率为

1 5

0 0W.试 验采用硅酸铝保温棉包裹高温循环泵来进行保温, 在循环泵出口安装流量调节阀, 调节导热油的工质 流量.

2

4 直辐射仪及环境记录仪 T B S

2 2型直辐射仪用来测量太阳辐射能的 直辐射部分, 其辐射波段为

2 8 0~30

0 0n m , 辐射测 量范围 0~

20 0 0W/ m

2 , 由锦州阳光科技发展有限 公司生产, 其性能参数见表

3 , 图 4为实物图. 表3直辐射仪参数 T a b .

3 D i r e c t r a d i o me t e rp a r a me t e r s 参数 数值 参数 数值 灵敏度 / ( μ V ・ ( W ・ m-

2 ) -

1 ) 7~

1 4 电源电压 / V

2 2

0 跟踪精度 / % ±

1 质量 / k g

5 年稳定性 / % ±

1 内阻 / Ω

8 0 响应时间 / s ≤1

5 工作温度 / ℃ ±

4 5 图4直辐射仪 F i g .

4 D i r e c t r a d i o m e t e r

2

5 保温油箱及导热油选取 导热油燃点为

3 5

0 ℃, 安装有温度控制系统, 保 证运行安全可靠.集热管安装有温度显示器, 可设 置最高温度, 当温度高于设置最高温度时, 集热管内 油路进行循环, 使高温油循环至油箱;

当集热管内油 温度低于设定值时, 油泵停止工作, 继续升温.油箱 体积

1 5

0 L , 试验注入

1 2 0........