摘 要

在众多太阳能利用技术当中，太阳能发电技术备受青睐，尤以光热发电技术更为高效与成熟。目前，槽式太阳能热发电技术已发展为可以大型商业化应用的技术。然而，受抛物面反射镜的聚光特性的影响，槽式热发电技术存在明显不足——集热管表面的热流密度极不均匀。实际工作时，吸热管壁轴向和周向均存在温度差值，引起热应力变形，影响集热管的热性能，使热发电系统的安全性降低。

本文构建了真空集热管传热和管内流体流动的数学模型，确定了合理的边界条件，结合COMSOL软件构建的槽式太阳能集热器的物理模型，研究了太阳能集热器的聚光特性，得到了吸热管表面的热流密度；通过改变不同运行参数，分析了非均匀热流密度下太阳辐射强度、导热流体入口流速和入口温度等不同条件对热性能的影响。

研究表明：（1）经反射镜反射的热流密度集中于吸热管下表面且对称分布；（2）受不均匀热流密度影响，吸热管下壁面的温度高于上壁面的温度，靠近下壁面的流体温度高于靠近上壁面的流体温度；（3）由于吸热量的积累，靠近出口处的管壁温度高于入口处的管壁温度；（4）随着太阳辐射强度的增加，吸热管表面的周向温差在逐渐增加；（5）随着流体入口流速和入口温度的增加，吸热管表面的周向温差逐渐减小；（6）流体的径向温差随辐射强度的升高而增大，随入口流速和入口温度的升高而降低。

关键词：太阳能热发电；真空集热管；不均匀热流密度；周向温差；性能分析

Abstract

Among various solar energy utilization technologies, solar power generation technology is favored, especially the solar thermal power generation technology is more efficient and mature. At present, the parabolic trough solar thermal power generation technology has developed into a large-scale commercial application of the technology. However, due to the effect of the concentrating characteristics of parabolic reflectors, the trough thermal power generation technology has its glaring defects that the heat flux on the outside surface of the absober tube is highly non-uniform. Actually, there is temperature difference between the axial and circumferential directions of the absorber tube wall, which causes thermal stress and deformation of the tube, affects the thermal performance of reciever, and decreases the safety of thermal power generation system.

Therefore, the mathematical model of heat transfer and fluid flow inside the absorber was established and the reasonable boundary conditions were determined in this paper. Combined with the physical model of the parabilic trough solar collector built by COMSOL, the concentrating characteristics of the parabolic trough reflector were studied, and the heat flux on the outside surface of the absorber tube was obtained. By changing operating parameters such as intensity of solar radiation, the inlet velocity and inlet temperature of the heat transfer fluid (HTF), the effects of different conditions on the thermal performance under non-uniform heat flux are analyzed.

The results show that :(1)by reflecting of the parabolic trough reflector, the heat flux is concentrated on the lower surface of the absorber tube and distributed symmetrically (2) under the effect of non-uniform heat flux, the temperature of the lower wall of the absorber tube is higher than that of the upper wall, and the fluid temperature near the lower wall is higher than that near the upper wall (3) due to the accumulation of heat absorption, the absorber wall temperature near the outlet is higher than that at the entrance (4) the circumferential temperature difference on the absorber wall increases with the increase of solar radiation intensity (5) the circumferential temperature difference on the absorber wall decreases with the increase of inlet velocity and inlet temperature of HTF (6) the radial temperature difference of the fluid increases with the increase of radiation intensity and decreases with the increase of inlet velocity and inlet temperature of HTF.

Key Words：Solar thermal power generation; Evacuated reciever tube; Non-uniform heat flux; Circumferential temperature difference; Performance analysis

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1课题背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1现有太阳能热发电技术 2

1.2.2真空集热管热性能研究现状 4

1.2.2.1真空集热管热性能实验研究 4

1.2.2.2真空集热管热性能数值模拟研究 5

1.3课题研究内容及技术路线 6

第2章 槽式太阳能集热器模型建立 8

2.1数学模型 8

2.1.1传热模型 8

2.1.2流动模型 10

2.1.3边界条件 11

2.2物理模型 12

2.2.1 COMSOL Multiphysics 12

2.2.2太阳能集热器物理模型 12

2.2.3网格独立性考察 14

2.2.3.1聚光特性网格独立性考察 14

2.2.3.2热性能研究网格独立性考察 14

2.3本章小结 15

第3章 真空集热管的热性能研究 16

3.1 槽式太阳能集热器的聚光特性研究 16

3.2 真空集热管的热性能研究 18

3.2.1吸热管壁面温度分布 18

3.2.2流体温度分布 22

3.2.3流体速度分布 26

3.3 本章小结 29

第4章 总结与展望 30

4.1总结 30

4.2 展望 30

参考文献 32

致 谢 34

第1章 绪论

1.1课题背景及意义

众所周知，当今世界经济日渐全球化，各国贸易往来日益频繁。中国社会科学院关于世界经济做出最新的预测，指出2019年世界经济年增长速度将达到3.5%^[1]。为维持高速发展的经济，人类不得不过度消耗化石能源。据统计，2016年，中国每万美元GDP需要消耗3.7吨标准煤，世界能耗强度平均水平在2.65吨标准煤/万美元左右^[2]。能源需求量在全球经济飞速发展的同时也在日益增加。2018年的《BP世界能源展望》中详细地分析并预测了2019-2040年世界能源的结构的变化趋势，到2040年全球对化石能源的年需求量将达到150亿至200亿吨油当量，中国对化石能源的需求也将达到30亿吨油当量^[3]。

此外，化石能源燃烧产生的废气与颗粒物如SO_x、NO_x、PM_2.5、CO₂等，造成了酸雨、光化学烟雾、雾霾和温室效应等严重环境问题。为解决此类污染问题，世界各国相继建立了诸如煤炭脱硫、脱硝和工业废气、汽车尾气等后处理与排放的标准和法律法规。这些环保措施在一定程度上能够减缓污染，但不能从根本上解决此类污染问题。2018年，受能源需求上升的推动，全球能源相关碳排放增长1.7%，达到331亿吨的历史最高水平，而燃煤发电仍是最大排放源，贡献了其中的30%^[4]。由此可见，化石能源燃烧带来的环境问题仍在不断严重化。寻找可替代传统能源的新能源才是解决问题的最佳方案且已刻不容缓。

自上世纪七八十年代，各国开始了对新能源的研究。经过几十年发展，诸如太阳能、风能等绿色新能源已为人所熟知。根据2018的世界能源发展报告，为了保证能源安全和降低对化石能源的依赖，世界各国的能源结构正在向清洁与多元化的方向渐进性转型^[5]。

目前，利用较为成熟的新能源主要有太阳能、核能等。其中，太阳能优势明显。首先，太阳辐射分布广泛，开发利用不受地域限制；其次，太阳能是绿色能源，其利用过程中不产生废气、颗粒物和放射性废料等污染物；此外，据推算太阳寿命仍有5亿年之久。太阳不灭，辐射永存。太阳能所展现出的巨大潜力，成为了各国新能源学者研究太阳能开发和利用技术的动力。

常见的太阳能利用方式是将太阳能是将太阳能直接或间接转化为电能，包括太阳能光伏发电和太阳能热发电两种方式。近年来，光伏发电技术发展迅速，2018年我国光伏发电装机量增加了43GW，累计装机总量170GW^[6]。但因为太阳辐射昼夜交替且辐射强度不稳定，光伏发电技术存在的储电成本高、发电间歇性和电压不稳定的缺点，始终困扰着光伏的发展。

太阳能热发电技术通过聚光集热装置（以下简称太阳能集热器）将低能量密度的太阳能转化为高能量密度的热能，加热蒸汽发生装置产生高压蒸汽，驱动汽轮机发电。因太阳能热发电系统设有储热装置且采用成熟的汽轮机技术，故既可实现不间断地发电，又可保证了发电的品质，避免了对电网造成冲击。太阳能热发电站可单独建设，也可与现有燃煤电站耦合，减少煤耗量和污染排放同时，降低燃煤电站的运营成本^[7]。中国太阳能热发电技术的研究虽晚于西方国家，但近年来已取得了长足发展。2016年，中国公布将在甘肃、青海和内蒙古等地建造20座太阳能热发电站，总装机量达1349兆瓦。截至2018年底，中国已建成并运行3座总计200兆瓦的太阳能热发电站^[8]。

在太阳能发电领域，太阳能热发电技术优势突出，且国内市场空白，发展前景广阔。发展太阳能热发电技术这一绿色环保的新能源技术，是国家节能减排战略的需要，也是国家能源转型方面的需要，是减少化石能源依赖的必要措施。中国太阳能热发电领域近些年来积累了丰富的经验、技术和人才，但依然任重而道远。

1.2国内外研究现状

1.2.1现有太阳能热发电技术

太阳能集热器是热发电系统中完成光热转化过程的关键装置。按照太阳能集热器的不同，目前太阳能热发电系统可分为槽式、塔式、碟式和线性菲涅尔式热发电系统四种，其实物图如图1.1所示。

图1.1 四种太阳能热发电系统实物图

其中：(a)为槽式太阳能热发电系统(b)为碟式太阳能热发电系统(c)为塔式太阳能热发电系统(d)为线性菲涅尔式太阳能热发电系统

（1）槽式太阳能热发电系统

槽式太阳能集热器由抛物面反射镜和真空集热管组成。抛物面反射镜将垂直入射到镜面太阳光线反射汇聚到位于抛物面焦线处的真空集热管上，传热流体流经集热管时被加热成高温^[9]。槽式太阳能集热器采用线聚焦技术，其几何聚光比是四个太阳能集热器中最低的（≤100）。受制于聚光比，传热流体只能工作于较低的温度（≤400℃）。

槽式太阳能热发电技术发展最为完善。全世界所有运行的光热发电站中，九成是槽式热发电站。世界上第一座槽式热发电站建成于1981年，至90年代初期，美国仅在加利福尼亚州就修建了十余座槽式热发电站。目前，美国、西班牙、以色列和法国等已经拥有了槽式热发电技术。中国输在了太阳能热发电技术研究的起跑线上，但中国科研人员已完成了该项技术的突破。2018年9月30日，国内首座商业化规模的太阳能热发电站——中广核太阳能德令哈50MW槽式太阳能热发电站并网发电，标志着中国具备建造大型商业化太阳能热发电站的能力。

（2）塔式太阳能热发电系统

塔式太阳能集热器由可独立跟踪的太阳能定向反射镜场和位于高塔顶部的吸热器而组成，由定向反射镜场将入射的太阳辐射反射到吸热器，加热导热流体^[9]。因为塔式太阳能热发电系统采用点聚焦技术，几何聚光比一般在300-1500间，导热流体运行温度高达1000摄氏度，适用于大功率发电的场合。

美国、西班牙和意大利等国均已成功建造并运行了多座塔式热发电站。2018年底，中国成功运营了两座商业化的塔式热发电站：北京首航太阳能敦煌100MW熔盐塔式热发电站和青海中控太阳能德令哈50MW熔盐塔式热发电站。

（3）碟式太阳能热发电系统

碟式太阳能集热器由旋转碟形抛物面镜和位于焦点处的吸热器组成。该旋转抛物面反射镜采用双轴跟踪，点聚焦，其聚光比高于3000，吸热器的接收温度可达800℃。碟式太阳能热发电系统是四种热发电系统中唯一的采用新型热机技术——斯特林热机技术的热发电系统，也是目前热发电技术中发电效率最高的。但是相比于技术已经相当完备的汽轮机发电技术而言，斯特林热机技术还需要时间与技术的沉淀，短期内无法达到汽轮机技术的完善程度，更不能取代汽轮机在太阳能热发电领域的主流热机地位。这也成为了阻碍碟式太阳能热发电系统实现大规模化应用的主要桎梏。目前，国内仅中科院建立了碟式太阳能热发电试验系统，但未有大规模碟式电站建成^[9]。

（4）线性菲涅尔式热发电系统

线性菲涅尔式太阳能集热器与槽式和塔式太阳能集热器工作原理均有相似之处。系统采用平面反射镜阵列组成镜场，这一点与塔式系统类似。所不同的是，系统采用线聚焦，将太阳辐射反射到镜面上方的吸热钢管上，这一点与槽式系统相同^[9]。但与槽式热发电系统采用抛物面反射镜不同，线性菲涅尔式热发电系统采用平面反射镜，对加工工艺的要求更低，加工成本也更具竞争优势。目前，世界上已建成的线性菲涅尔式热发电站大约为各国所建的热发电站总合的3%左右。中国计划在甘肃和内蒙古建设四座菲涅尔式太阳能热发电站，预计有望陆续在2020年底完工。

1.2.2真空集热管热性能研究现状

抛物面反射镜和真空集热管是槽式太阳能集热器的两大主体结构。抛物面反射镜的功能主要为反射入射光线至焦线处，其质量优劣主要由反射率评判，现有的反射镜制造技术相对成熟，已可将反射镜的反射率提高至95%左右，已近极限。在此种情况下，真正影响聚光集热效率的是真空集热管的热性能。众多科研工作者对真空集热管的热性能做出了探索，现总结如下：

1.2.2.1真空集热管热性能实验研究

实验研究方面， 美国国家实验室（NREL）的Burkholder等采用稳态热平衡法测得到了Solel's UVAC3 和Schott's 2008 PTR70两种集热管的部分性能参数^[10,11]。美国圣迪亚实验室（Sandia）的Dudley等测定并拟合出了镀有金属陶瓷和铬黑两种不同选择性涂层的真空集热管的热效率公式，该公式在工程应用方面具有参考价值^[12]。

龚广杰等评估了所研发的新型高温真空集热管的热稳定性和端部的热损失，经实验，在350℃的高温条件下，真空集热管能保持稳定性，且热性能与Solel's UVAC3型的真空集热管相当^[13,14]。马重芳等对槽式太阳能集热器的热性能进行了研究，发现此太阳能集热器能将60%的入射太阳辐射能转化为热能^[15]。王亚龙等以YD300型合成导热油为传热流体，通过改变不同的变量参数，测得相同光照强度，流量增大，热效率提高；入口温度增大，热效率降低的影响规律^[16]。何雅玲等采用硅碳棒加热技术测试了桑普产的集热管的热性能，得到热损失的回归模型，并验证了模型^[17,18]。陈庚等同样对槽式真空集热管进行了稳态性能测试，发现了不同壁温和真空条件下的集热管热损失变化特征^[19]。

国内外对集热管热性能的实验研究均基于稳态平衡法或准稳态平衡法，实验时将聚光集热装置置于非工作状态，即不接受太阳辐射能，通过外界加热以维持集热管的热稳态平衡，此时，热损失便与外界加热量相等^[20]。采用稳态平衡法或准稳态平衡法研究热损失时集热管的轴向和周向温度稳定性和均匀性较好，得到的热损失结果相对准确。

1.2.2.2真空集热管热性能数值模拟研究

（1）基于吸热管表面均匀热流密度的模拟

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