CN110513892A - 带有翅片的半圆型集热管及大开口高聚光比槽式聚光集热系统 - Google Patents

带有翅片的半圆型集热管及大开口高聚光比槽式聚光集热系统 Download PDF

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CN110513892A CN201910801940.3A CN201910801940A CN110513892A CN 110513892 A CN110513892 A CN 110513892A CN 201910801940 A CN201910801940 A CN 201910801940A CN 110513892 A CN110513892 A CN 110513892A
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巩景虎
金炜
李国帅
李珂珂
罗显峰
赵丹丹
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24S23/70Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
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    • Y02E10/44Heat exchange systems

Abstract

本发明公开了一种带有翅片的半圆型集热管及大开口高聚光比槽式聚光集热系统,包括玻璃外管、位于玻璃外管内部且与其同轴的吸热管、真空夹层以及吸热管上方的平板反射镜;所述吸热管包括内部装有传热介质的半圆部分和翅片部分,半圆部分的横截面为半圆形,半圆部分的上表面为一平面,平板反射镜与半圆部分的上表面相对设置,翅片部分设置在半圆部的外壁上。本发明的真空高温吸热管中的吸热部分由半圆部分和翅片部分组成,将其应用于大开口、高聚光比槽式聚光集热系统中,被一次反射镜反射的光线直接照射到吸热管上,减小了反射损失,提高了光学效率。

Description

带有翅片的半圆型集热管及大开口高聚光比槽式聚光集热 系统
技术领域
本发明涉及太阳能聚光集热装置及槽式聚光集热系统,特别是涉及一种带有翅片的半圆型高温集热管以及大开口高聚光比的槽式聚光集热系统。
背景技术
太阳能无疑是目前地球上可以开发的最大可再生能源,太阳能的聚光利用形式分为碟式、塔式、槽式及线性菲涅尔式。槽式发电技术最为成熟,占太阳能聚光热发电市场的90%以上,也是目前唯一能商业化的太阳能热发电产品。
槽式太阳能热发电系统的原理是:槽式聚光器将太阳光聚焦在真空集热管表面,加热真空集热管里面的工质,产生高温,再通过换热设备加热水产生高温高压的蒸汽,驱动汽轮机发电机组发电的系统。槽式太阳能热发电系统一般包括以下五个子系统:聚光集热子系统、换热子系统、发电子系统、蓄热子系统、辅助能源子系统;其中聚光集热子系统是发电系统的核心,由槽式聚光镜、真空集热管和跟踪装置构成,是电站运行最主要的热量来源。
大开口、高聚光比是目前提高集热温度、降低投资成本最有效的方法。在大开口高聚光比系统中,需要在传统的系统中加入二次反射镜,将更多的光线聚集在集热管上。目前二次反射镜主要分为复合抛物面(Compound Parabolic Concentrator(CPC))型、平板型和梯形。但是增加了二次反射镜以后,光线增加了一次反射,导致到达集热管上的能量降低。因此为了提高光学效率和热效率,急需设计一种新的集热管,使光线经过一次反射镜后,直接被吸热管吸收,提高光学效率和热效率、降低投资成本。
发明内容
发明目的:本发明的一个目的是提供一种带有翅片的半圆型高温集热管,并将其应用在大开口、高聚光比槽式聚光集热系统,提高光学效率和热效率、降低投资成本;本发明的另一个目的是提供一种大开口高聚光比的槽式聚光集热系统,该槽式聚光集热系统的聚光器开口较大,提高聚光比的同时提高光学效率和热效率。
技术方案:本发明的一种带有翅片的半圆型集热管,包括玻璃外管、位于玻璃外管内部且与其同轴的吸热管、真空夹层以及吸热管上方的平板反射镜;所述吸热管包括内部装有传热介质的半圆部分和翅片部分,半圆部分的横截面为一半圆,半圆部分的上表面为一平面,平板反射镜与半圆部的上表面相对设置,翅片部分设置在半圆部的外壁上。
上述翅片部分和半圆部分共同构成了吸热部分,其中吸热管可采用金属材质制成,如铜、不锈钢;半圆部分及其外壁上的翅片部分可以通过金属冲压一体化制成。传热介质可以采用熔融盐(60%NaNo3+40%NaNo3),也可以采用其他介质。吸热管以外、玻璃外管以内为真空夹层,真空度小于0.013Pa,集热管两端固定吸热管、平板反射镜的部分,以及抽真空的过程,均为现有技术。实际工程应用中,平板反射镜的长度可以略小于吸热管的长度。平板反射镜的材质可以采用与一次反射镜相同的材质。
优选地,所述平板反射镜平行于半圆部分的上表面,翅片部分与平板反射镜也相平行;通过加设平板反射镜,将吸热管上半部分辐射的热量反射回吸热管,减少了辐射损失,进而提高了热效率。
为了进一步提高热效率,所述平板反射镜的宽度大于吸热管的总宽度。吸热管的总宽度为半圆的直径与半圆部外壁上的翅片宽度之和;平板反射镜的宽度大于吸热管的总宽度,可以使得吸热管向上辐射的热量均被反射回吸热管。
当吸热管的上平面与平板反射镜相平行时,吸热管上平面辐射出的光线垂直照射在平板反射镜上,被平板反射镜反射后,又垂直的照射在吸热光上表面,没有余弦损失,提高了热效率。
优选地,所述翅片部分对称设置在半圆部分的两侧。
优选地,所述翅片部分与半圆部分的上表面相平行。
本发明还提供了一种大开口高聚光比槽式聚光集热系统,包括一次反射镜,还包括所述的带有翅片的半圆型集热管,所述一次反射镜的曲面线型为抛物线,所述半圆的圆心位于一次反射镜的焦点的位置。
优选地,所述半圆的半径R为40~60mm,当吸热管半径太小,被吸热管拦截的一次反射镜反射后的太阳光线少,导致光学效率小,当吸热管半径太大时,光学效率提高了,但是对外辐射面积增大了,导致热效率降低了,同时吸热管内传热流体的质量增大,重力大,容易使集热管弯曲。
优选地,所述翅片部分的翅片宽度为5~10mm;翅片的宽度太小时,拦截效果不明显,导致光学效率低;而翅片太长时,热阻较大,翅片末端的热量不能及时传递给吸热管内的传热流体。
优选地,所述吸热管的半圆面朝向一次反射镜,平面部分背向一次反射镜。
优选地,所述一次反射镜的开口宽度M为6~10m,边缘半角为50°~80°。实际工程应用中,一次反射镜的开口宽度M一般设为8m,应用大开口时,聚光比增大,输出温度提高,导致整个发电厂效率提高,同时应用大开口时,固定、传动等辅助一次反射镜的机构减少,降低初投资成本。一次反射镜一般可由玻璃制造,背面镀银并涂保护层,也可用镜面铝板或镜面不锈钢板制造一次反射镜,一次反射镜安装在反光镜托架上,槽型抛物面反射镜可将入射太阳光聚焦到焦点的一条线上,在该条线上装有接收器的集热管。
发明原理:本发明通过改进集热管的设计,将吸热管设计成横截面为一个半圆的半圆部分,同时在半圆部分的两侧外壁上设有外翅片,且半圆部分的上方设有平板反射镜;太阳光线照射在一次反射镜上,由于半圆部分和翅片部分共同构成了吸热部分,因此经一次反射镜反射后直接被翅片部分和半圆部分吸收,吸热管在高温下对外辐射热量,吸热管上半部分对外辐射的热量被吸热管上方的平板反射镜反射回吸热管,减小辐射损失。同时本发明还结合理论模拟,验证了本发明的集热管的热效率大大提高。
在目前的大开口系统中,研究者为了增加光学效率,在传统的系统中增加二次反射镜,将不能被吸热管拦截的一次反射镜反射后的光线被二次反射回吸热管上,但是这种系统增加了二次发射镜使光线多了一次反射后,光学效率提高的并不明显。而采用增大吸热管的直径时,增大了拦截效率,但也同时增加了对外辐射面积,在高温下,对外辐射损失的能量更大。因此,本发明在上述传统方案的基础上,提出了增加吸热管的直径的同时减小对外辐射的面积。相比于传统系统,省去了二次反射镜,增加了吸热管直径,增加了光学效率和热效率。同时应用横截面为半圆形的吸热管,使其水力直径减小,管内传热流体质量减小,重力减小,保护了集热管。
有益效果:与现有技术相比,
(1)本发明的真空高温吸热管中的吸热部分由半圆部份和翅片部分组成,将其应用于大开口、高聚光比槽式聚光集热系统中,被一次反射镜反射的光线直接照射到吸热管上,减小了反射损失,提高了光学效率;
(2)集热管内的真空夹层上半部分装有平板反射镜,将吸热管上半部分辐射的热量反射回吸热管,进而提高热效率;
(3)传统带有二次反射镜系统的光学效率小于75%,热效率小于70%;在同等条件下,采用本发明中带有翅片的半圆型集热管,光学效率可提高到86.9%,热效率高达83.7%,比传统带有二次反射镜系统相比,光学效率和热效率高了10%左右;
(4)本发明设计的带有翅片的半圆型集热管,结构设计合理,应用于大开口高聚光比槽式聚光集热系统,增大聚光器开口和提供聚光比的同时,提供了光学效率和热效率,热能利用率高,降低了建设成本。
附图说明
图1是本发明的大开口高聚光比槽式聚光集热系统的结构示意图;
图2是本发明的真空高温集热管的横截面示意图;
图3是本发明的集热管表面的热流密度示意图;
图4是本发明的热效率图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步详细描述。
本发明的大开口高聚光比的槽式聚光集热系统的聚光集热装置如图1所示,由一次反射镜2和集热管1构成,一次反射镜2的曲面线型为抛物线。将该一次反射镜2以及带有翅片的半圆型集热管1通过机械结构联结,成相对固定的一体化。
集热管1包括玻璃外管4、位于玻璃外管4的内部的金属吸热管3、真空夹层5,吸热管3与玻璃外管4同轴设置,且吸热管3的上方设有一个平板反射镜6。如图2所示为集热管1的横截面示意图,吸热管3包括半圆部分8和翅片部分9,半圆部分8的横截面为半圆形,半圆部分8的半圆的圆心位于一次反射镜2的焦点位置,半圆部分8内部装有传热介质。半圆部分8的上表面为一平面,平板反射镜6平行于半圆部分8的上表面;翅片部分9对称设置在半圆部分8的两侧外壁上,其与半圆部分8的上表面相连,并与上方的平板反射镜6相平行。平板反射镜6的宽度大于吸热管3的总宽度,总宽度为两侧的翅片宽度和半圆部分8的上表面宽度,半圆部分8的上表面宽度即为半圆形的直径长度。吸热管3以外、玻璃外管4以内为真空夹层5,真空度小于0.013Pa。其中,集热管1两端固定吸热管3和平板反射镜6,以及抽真空的过程,均为现有技术。将带有翅片的半圆型集热管1应用于大开口高聚光比的槽式聚光集热系统中,除了上述的聚光集热装置外,还包括跟踪装置等,这些均可以通过现有技术实现,在此不详细描述。
下面结合仿真模拟对本发明的效果进行验证说明。曲面线型为抛物线的一次反射镜的开口宽度M=8m,边缘半角一次反射的焦距f=2.3835m和集热管的长度L=4m。真空高温吸热管如图2所示,吸热器半圆部分的半圆半径R=50mm,吸热管的总宽度(半圆的直径和两侧翅片的宽度)K=120mm,翅片的宽度为10mm,玻璃外管的直径Dgla=145mm,平板反射板的长度也为4m,辐射强度(DNI)为1000W/m2
(1)光学效率的计算
采用标准化LS-3提供的跟踪参数,将LS-3的跟踪参数和上述数据导入SolTrace中进行仿真模拟,得到吸热管下半部分的热流分布。热流分布显示吸热器上的热流对称分布,取其一半进行拟合,得到结果如图3所示。由图3看出,半圆部分的平均热流密度Eavel为40958.8W/m2,翅片部分的平均热流密度Eave2为26088.2W/m2,光学效率ηopt的计算如下式所示:
经过上式计算光学效率为86.9%,其中半圆部的光学效率为80.4%,翅片部分为6.5%。
(2)热效率的计算
传热介质采用熔融盐(60%NaNo3+40%NaNo3),其中二元熔融盐(60%NaNo3+40%NaNo3)的热物性参数随温度的变化规律如下:
上式中:ρ为密度Kg/m3;Cp为比热,J/(kg.k);λ为导热系数w/(m.k);μ为动力粘度mpa.s;Pr为普朗特数,T为温度。
管内流动模型选择采用κ-ε标准湍流模型,控制方程如下所示。
连续性方程:
能量方程:
动量方程:
k-ε方程:
其中:
其中,标准常数C1=1.44,C2=1.92,Cu=0.99,σk=1.0,σε=1.0和σT=0.85。u为x方向速度,Gk为平均速度梯度产生的湍流动能。
(3)边界条件
吸热管上面向一次反射镜的一面上的热流密度如图3所示,背向一次反射镜部分(平面部分)为0;
进口温度为500℃f773.15K),流速为1.1581m3/h,5.7906m3/h,11.5812m3/h,17.3717m3/h,23.1622m3/h,28.9529m3/h,34.7435m3/h,40.5314m3/h和46.3247m3/h;
吸热管为不锈钢材质,长度L=4m,粗糙度为0.15mm;
环境温度为300K,天空辐射温度为287K,真空夹层为空气且压强小于0.013Pa,对流换热系数为0.0001115W/m2K,在吸热管的下半部分的选择性涂层的发射率0.112。吸热器上半部分的上面装有平板反射镜且反射率为97%,因此上半部分的发射率为0.00336.
熔融盐吸收的热量后的热效率ηth
Qu为熔盐流动过程中吸收的热量,如图4所示,熔盐在4m长的集热管内流动过程中吸收的热量Qu在26765.3W左右,根据上述公式得到热效率ηth为83.7%左右。
可以看出,和现有技术相比,采用本发明的技术方案的效果显著;传统带有二次反射镜系统的光学效率小于75%,热效率小于70%,在同等条件下,本发明的光学效率提高到86.9%,热效率也高达83.7%,比传统的相比光学效率和热效率高了10%左右。

Claims (10)

1.一种带有翅片的半圆型集热管,其特征在于:包括玻璃外管(4)、位于玻璃外管(4)内部且与其同轴的吸热管(3)、真空夹层(5)以及吸热管(3)上方的平板反射镜(6);所述吸热管(3)包括内部装有传热介质(7)的半圆部分(8)和翅片部分(9),半圆部分(8)的横截面为半圆,半圆部分(8)的上表面为一平面,平板反射镜(6)与半圆部分(8)的上表面相对设置,翅片部分(9)设置在半圆部分(8)的外壁上。
2.根据权利要求1所述的带有翅片的半圆型集热管,其特征在于:所述平板反射镜(6)平行于半圆部分(8)的上表面,翅片部分(9)与平板反射镜(6)也相平行。
3.根据权利要求1所述的带有翅片的半圆型集热管,其特征在于:所述平板反射镜(6)的宽度大于吸热管(3)的总宽度。
4.根据权利要求1所述的带有翅片的半圆型集热管,其特征在于:所述翅片部分(9)对称设置在半圆部分(8)的两侧。
5.根据权利要求1所述的带有翅片的半圆型集热管,其特征在于:所述翅片部分(9)与半圆部分(8)的上表面相平行。
6.一种大开口高聚光比槽式聚光集热系统,包括一次反射镜,其特征在于:还包括权利要求1~5中任一项所述的带有翅片的半圆型集热管(1),所述一次反射镜(2)的曲面线型为抛物线,所述半圆的圆心位于一次反射镜(2)的焦点的位置。
7.根据权利要求6所述的大开口高聚光比聚光集热系统,其特征在于:所述半圆的半径R为40~60mm。
8.根据权利要求6所述的大开口高聚光比槽式聚光集热系统,其特征在于:所述翅片部分(9)的宽度为5~10mm。
9.根据权利要求6所述的大开口高聚光比槽式聚光集热系统,其特征在于:所述吸热管(3)的半圆面朝向一次反射镜(2),平面部分背向一次反射镜(2)。
10.根据权利要求6所述的大开口高聚光比槽式聚光集热系统,其特征在于:所述一次反射镜(2)的开口宽度M为6~10m,边缘半角为50°~80°。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112033016A (zh) * 2020-09-10 2020-12-04 广州卓邦科技有限公司 一种槽式太阳能高温集热器

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