用于槽式太阳能电站的热管式集热器开发及传热分析

　　0　引　言

　　我国是一个能耗大国,预计到2050年的石油缺口达4·4亿t[1],在能源如此紧张的背景下,大力发展太阳能热发电具有重大意义。在太阳能中温热发电系统中,集热器是其核心部件。非聚焦集热器很难达到较高的温度,而槽式聚光集热器不仅能达到较高的集热温度,且具有8~80之间[2]的小聚光比、整体投资小、经济效益好、容易实现商业化等优点,在太阳能热发电系统中具有广阔的应用前景。但国外研究表明[3],槽式太阳能电站直接产蒸汽系统(DSG),虽然太阳能与电能的转换效率可提高22·6%,成本可降低26%,代表了今后槽式太阳能电站的发展方向,却存在吸热管管内汽水混合物分层对管路冲击严重和因吸热管周向温差较大,造成接收器偏离聚焦线,损坏接收器等问题。

　　针对上述问题,本文开发了一种槽式热管式集热器,它同时运用了真空技术和热管技术,具有热损失小、热容量小、工作范围宽等显著优点。通过结构优化,引入新型机械密封装置,解决了现有集热器密封结构复杂、成本高的问题。对此集热器进行了传热分析,推导了集热器瞬时集热效率,结果表明此新型集热器具有良好的热性能。

　　1　槽式热管式集热器结构

　　本文开发的槽式热管式太阳能集热器由槽式抛物面聚光器和热管式接收器这两大部分组成,如图1所示。它是一种成像低聚焦聚光集热器,可以将太阳以32′[4]张角入射的光线按理想聚光比收集到接收器上,热管式真空管接收器通过相变传热将光能转化为热能后由工作介质带走。

　　(1)聚光器。聚光器包括槽式反射镜、跟踪装置、支撑架。槽式反射镜由玻璃制成,分为左右两部分,边缘半角φ越大,反射到吸热管上的光线越不均匀,会造成集热器总体效率下降,所以在设计聚光器时,应尽量将φ设计得小一些[5]。其横截面为轴对称图形,其中左右各为一段抛物线,其聚光原理如图2所示。在这个聚光器中,太阳光以32′张角入射到聚光器上,然后通过反射聚焦,按设计的聚光比投射到接收器上。

　　(2)接收器。接收器由玻璃套管、热管、支撑件、新型玻璃金属密封件、水夹套组成,其结构示意如图3所示。真空管为单层玻璃套管,内管是电镀了特殊的选择性涂层的热管。作为吸热体,热管能有效吸收太阳能光线,提高了集热器的光学效率。玻璃套管与热管之间抽成真空(真空度大,能有效防止热量通过对流和导热方式散发出去,同时又起到了保护选择性涂层的作用。阳光通过照射或者反射到吸热管选择性涂层,产生热量后传给热虹吸管(简称重力热管),热管获得热量(同时含真空管闷晒热量)通过相变传热后传到冷凝段,然后传给集热介质。