摘 要

太阳能热发电系统通过利用太阳的光和热的能量并将其最终转换成电能的新能源装置，有世界电力系统中有着无可取代的重要作用。与世界范围内一样，太阳能发电技术也是国内电力系统的重要组成部分。太阳能发电的最大优势在于它拥有太阳这样一个无穷无尽的能量源，没有污染，适用范围特别广泛。有太阳的地方就可以完成太阳能发电。槽式太阳能发电作为一种发展最完善的系统在整个太阳能发电系统大家族中占据了最重要的地位。太阳能发电系统的核心部件就是它的聚热装置，而槽式抛物面聚热器就担当了这一作用。毫无疑问槽式聚热器的性能直接决定了整个太阳能发电系统的效率。

槽式聚热器是太阳能发电系统装置中的集热设备，同时其商业化价值也是所有热发电装置中首屈一指的。抛物槽反射镜面和集热管是槽式聚热器重要的组成部分。本文通过数学建模建立了槽式聚热器理想状态下的模型，然后再借用数学工具MATLAB计算分析来得出对聚热器热性能的影响的因素，从而得出最小热损失环境下的最优解。从而使得整个发电装置效率最大化，增大经济效率。

研究结果表明：传热流体的入口温度、太阳辐射流密度和流体体积流量是影响集热器的传热散热以及最终热效率的主要因素。

本文的特色：把槽式聚热器简化成数学模型，通过MATLAB工具来计算问题从而完成传热分析规律。

关键词：槽式聚热器；太阳能发电装置；数学建模；MATLAB

Abstract

Solar thermal power system plays a more and more important role in the world's power system by utilizing the sun's light and heat energy and converting it into electric energy. China's electric power development is also inseparable from solar thermal power generation. The advantage of solar power generation compared with traditional power generation is that the sun's energy is inexhaustible, inexhaustible, no pollution, applicable scope is particularly wide, because almost everywhere there is the sun, where there is the sun can be completed solar power generation. Trough solar power generation is one of the most widely used and mature solar power generation systems.

Trough parabolic heater is also the core component of trough solar power generation system, so it will inevitably affect the efficiency of the whole power generation system. Trough type collector is a kind of heat collecting equipment in solar power generation system. The parabolic tank mirror and the collector tube are the important components of the trough heater. In this paper, mathematical modeling is used to establish a model of the ideal state of the trough collector, and then the mathematical tool matlab is used to calculate and analyze the factors affecting the performance of the collector, so as to obtain the optimal solution under the environment of minimum heat loss. This maximizes the efficiency of the entire power generation unit and increases the economic efficiency.

The results show that:; The temperature of the fluid, the intensity of solar radiation and the volume flow of the fluid are the main factors affecting the heat transfer characteristics and the circumferential temperature distribution of the tube wall. .

The characteristics of this paper: the trough collector is simplified into a mathematical model, the matlab tool to calculate the problem to complete the heat transfer analysis law.

Key Words：trough collector；Solar power plant；Mathematical modeling；matlab

主要符号表

m 传热流体质量流量（）

第i段集热管进口温度（）

第i段集热管出口温度（）

定压比热容（）

吸热管内侧与流体对流换热系数（）

第i段吸热管内壁温度（℃）

第i段传热流体均温（℃）

努塞尔数

时的导热系数

管内流体动摩擦系数

普朗特数(按流体均温计算)

普朗特数（按管内壁温度计算）

标态环状区的气体导热系数W/（m∙℃）

分子作用系数

分子平均自由程（cm）

调节系数

气体比热

气体压力（mmHg）

气体分子直径（cm）

等效导热系数

按尺寸得到的瑞利数

气体膨胀系数

气体运动粘度

目录

第1章 绪论 1

1.1 背景及意义 1

1.2 太阳能的历史与利用 1

1.3 槽式抛物面集热器现状 2

1.4 本文的基本内容 3

第2章 太阳能传热基本原理 4

2.1 导热 4

2.2 对流换热 4

2.3 辐射换热 5

第3章　聚热器集热管的热性能研究 6

3.1 聚热器集热管的结构 6

3.2 集热器传热理论基础 6

3.2.1 集热管一维传热模型 7

3.2.2 集热管二维传热模型 8

3.3 集热器热平衡方程 8

3.3.1 管内流体与吸热管间的对流传热 9

3.3.2 吸热管和玻璃护管壁的传热 9

3.3.2 玻璃护管和环境间的换热 10

3.4 模型整理与求解 12

第4章　MATLAB传热结果分析 13

4.1 聚热器的各项参数 13

4.1.1 聚热器的参数和输入变量 13

4.2 计算结果分析 16

4.2.1 传热流体入口温度对传热效率的影响 16

4.2.2 辐射热流密度对集热器效率的影响 16

第5章　总结 18

参考文献 19

第1章 绪论

1.1 背景及意义

人类文明的发展与进步总是与能源挂钩，能源为我们生活提供了最基本的保障与推动。随着科学进步与发展人们接连使用了化石能源等传统能源以及之后的风能、核能和太阳能等新能源。但是传统能源具有种种原因上的局限性，必然会限制人类的发展。因此舍弃传统能源使用新能源是现今能源发展的主旋律。

目前国内因为人口因素导致了人均资源匮乏，并且因为各种技术问题导致了能源利用率大打折扣，这种问题必须得到解决才能更进一步的推动国家的经济社会发展。所以说对于目前主力发电装置仍然为火力的我国来说，近60%的火力发电占比仍会加剧资源危机和环境危机。所以目前新能源的发展是必然趋势也是必须得去做的，新型能源尤其是太阳能的开发与研究必须要贯彻到底。

根据预测到21世纪中叶石油能源将会基本消失，取而代之登上主舞台的将会是太阳能，太阳能在2050年左右会占到50%左右的比例。太阳能就算是在新能源中也有着无法相比的优势：

1. 广泛性：几乎在地球的任何都会接收到太阳辐射，并且装置运行方便简单。
2. 可再生：这也是新能源共有的特性，相比传统能源，太阳能是无限的。
3. 无污染：太阳能是最清洁的能源。
4. 总量大：太阳辐射所带来的能量不仅在时间上的几乎等于无限，单位时间的能量总量上也是巨大的。

1.2 太阳能的历史与利用

早从原始社会开始，人类就已经学会利用太阳能。从祖先们利用太阳辐射种植作物以及利用太阳光生火等等。但正式将太阳能作为一种能源动力来看待最早出现在十七世纪中期。从C.Gunter在1845年发明太阳能炉开始，再到1872年瑞典工程师CWilson利用太阳能蒸馏厂来作为动力^[1]。1878年，在巴黎的一次科技展会上，有人第一次采用盘式聚光器将太阳光聚集在蒸汽锅炉上使得印刷机成功工作。到了20世纪太阳能则更是飞跃发展，一直到今天的蓬勃生机，太阳能技术如今不断取得进展，发展形式也多样化。

太阳的利用方式主要有以下几种

（1）光热利用

基本原理是先吸收太阳的辐射能，然后将太阳辐射能转换成热能。常用的集热器类型包括聚焦性集热器和平面型集热器以及管状集热器。在温度低于200℃时的光热利用统称为低温利用，相对的在200℃到800℃区间内的温度则是中温利用，高于800℃的情况下为高温利用。太阳能热水器是最常见的低温利用，槽式太阳能聚光集热装置等则是最常见的的中温利用，高温利用的代表则是高温太阳炉等^[2]。

（2）太阳能电池

随着太阳能技术的发展，太阳能发电的利用必然会影响到太阳能电池的生成。因为太阳能电池相比传统化学电池拥有更长的寿命期，更高的电池效率，以及更低的成本。晶体硅电池的广泛利用使得电池效率达了最高的18%左右，寿命也高达25年。非晶体硅电池价格更加便宜，效率和寿命也高于传统电池，未来也将得到长足发展。

（3）太阳能热发电

太阳能热动力发电是通过反射聚焦的方式把太阳辐射光线聚集起来，用聚集起来的能量加热工质，产生高温蒸汽驱动汽轮机发电^[3]。其中槽式太阳能热发电装置早就实现了商业化用途，得到了最广泛的应用。

1.3 槽式抛物面集热器现状

集热器作为槽式太阳能发电装置的关键部分，直接关系到了集热器的热效率。提高热效率的方法也多从集热器的材料、集热器抛物面的反射率、金属管的吸热能力等各方面来考虑，也得考虑太阳能设备的工艺和精度等。本文主要研究槽式聚热器集热管的传热，找出影响传热效率的因素，从而得出影响传热效率的原因，进一步由影响因素反推增加集热器效率的方法。

国际LUZ太阳能热发电国际有限公司建造的9座槽式太阳能热发电中槽式抛物面聚光器有以下三种类型:LS-1型、LS-2型和LS-3型^[4]。表1.1给出了常见的LS型集热器的参数，另外LS-4型聚光集热器是LUZ公司产的第四代聚光集热器，它使用了DSG（蒸汽产生）系统。

表1.1 各类太阳能聚光集热器的基本参数

LS聚光集热器还有后续跟进版本Euro Trough聚光集热器。它是一种扭矩框聚光集热器，这种聚热器操作起来更加方便并且结构简单，拥有比普通槽式聚光集热器更高的热效率。

1.4 本文的基本内容

槽式太阳能发电技术在新能源领域有着重大意义。对聚热器的集热效率的测试和评价是研究聚光集热器的基础。本文首先介绍了太阳能的基本概念以及槽式聚热器的一些知识和原理，再介绍了集热管的基本结构和传热过程中各部分结构的理论关系。建立聚热器集热管的数学模型，主要包括光学模型和传热模型，并且列出传热方程和传热计算公式。最后利用数学工具解决方程计算问题，进一步将计算的数据进行归纳整理从而得出影响集热器传热效率的主要因素。

由于种种原因很难通过实际实验得出理想状态下的槽式聚热器的传热实验分析，故通过理论模型来分析更符合实际。根据热平衡定理对太阳能集热器的数学模型进行研究，建立热平衡方程，从而计算热损失。而槽式太阳能聚热器的数学模型可以视作一组非线性代数方程，集热管和玻璃护管壁面温度在聚热器集热管实际工作过程中存在数学关系^[5]。得出的方程组即是要解决一组非线性优化问题，解出该非线性方程组即可完成目的。

由于方程组直接去解比较复杂而且容易出错，故借用数学工具软件来求解比较好。通常可以借助EES工程方程求解器或者Visual Basic工具以及MATLAB编程求解。 MATLAB的数学计算很好的契合了这次聚热器模型的要求，本文利用MATLAB自带的function函数求解。通过编程可以完成相应方程组的解，通过求解传热方程组，得出散热数据以及最终热效率从而分析影响聚热器热效率的一些原因。

第2章 太阳能传热基本原理

集热器的传热就是指由于集热管内温差的存在导致了管内各部分以及集热管和外部环境间存在热量交换。当温差存在时，集热管就会有从高温向低温环境传递热量的趋势，或者管内高温部分会将热量向低温部分传递。不仅是太阳能聚热器，生活中的热量传递处处都有，常见的热量传递方式有导热、对流和辐射换热三种。

在考虑抛物面槽式聚光系统时，最先应考虑该系统的热点模型，由计算得出该系统的性能。要想获得传热过程中的最大效率，就得充分考虑怎样在什么样的条件下槽式太阳能聚光集热器中的热量传递会更有效率。下面介绍这次聚热器传热会用到的三种基本传热方式的基本原理。