一种梯级槽式太阳能聚光集热系统及其设计方法

本发明属于太阳能聚光集热，具体涉及一种梯级槽式太阳能聚光集热系统及其设计方法。

背景技术：

1、槽式太阳能热发电系统中聚光集热子系统是发电系统的核心所在，该子系统由槽式聚光镜、真空集热管和跟踪装置构成，是发电站运行最主要的热量来源，其中增大开口和提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。在目前大开口高聚光比槽式发电系统中，采用统一规格的集热管已经无法满足吸收热能与对外辐射热能的最佳匹配，从而导致热效率低，尤其高温工况下，温度高且对外辐射损失面积大，导致无出力的现象出现。因此，为了提高效率、降低成本，急需研究设计一种新型聚光集热系统，能够实现吸收与对外辐射损失最佳匹配、净输出能量最大、提高效率同时能够降低投资成本。

2、为了解决上述问题，本发明人2022年06月01日提出的中国专利申请“一种梯级大开口槽式太阳能聚光集热系统及设计方法”，申请号：202210616703.1，公开的梯级大开口槽式太阳能聚光集热系统在中低温度段采用半圆形集热管，有效提高了热效率，但是挠度低，在高温下容易弯曲，导致实施难度大。为了解决该难题，本发明提出了大小直径不一的圆形集热管，根据不同温度产生的对外辐射损失不同，组合了梯级聚光集热系统，并且对系统进行设计和研究。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明公开了一种梯级槽式太阳能聚光集热系统及其设计方法，能够提高光学效率，减少对外辐射损失，实现吸收与对外辐射热损失的最佳匹配，净能输出最大，最终提高系统的热效率，并且高温下不易弯曲。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、本发明首先提供一种梯级槽式太阳能聚光集热系统，包括：大开口槽式聚光器和集热管，所述集热管包括金属吸热管和位于金属吸热管外部的玻璃外壳，所述玻璃外壳内设置有平板二次反射镜，所述平板二次反射镜的反射面朝向所述金属吸热管，所述金属吸热管由90mm-80mm-70mm三种不同管径的金属吸热管组合而成，且从低温段到高温段的过程中，使用的金属吸热管的管径依次减小，即低温段采用直径大的吸热管，高温段采用直径小的吸热管。

4、本发明还提供一种上述梯级槽式太阳能聚光集热系统的设计方法，该方法包括如下步骤：

5、第一步：对于给定的槽式聚光器，在soltrace中构建集热管中二次反射镜尺寸和位置及金属吸热管在大开口槽式聚光器中的具体位置；

6、第二步：三种不同的金属吸热管和二次反射镜组成的集热管安装在槽式聚光器中的光学效率计算；

7、第三步：三种不同的金属吸热管和二次反射镜组成的集热管安装在槽式聚光器中的热效率计算；

8、第四步：三种不同的金属吸热管和二次反射镜组成的集热管的热损失系数计算；

9、第五步：系统建立的地区及该地区的太阳直射辐射强度值、大开口槽式聚光器的开口宽度确定以后，根据每种管径的金属吸热管的集热管的光学效率建立输出热能qth关于温度t的函数关系，选用不同直径的吸热管，通过比较所需温度t下输出热能qth的大小，得到该温度区间内的最佳管径的金属吸热管；

10、第六步：构建梯级槽式太阳能聚光集热系统，将不同温度区间得到的长度l和集热管的吸热管直径选择形式构建成梯级系统，满足出口温度。

11、进一步地，第一步的具体方法是：在soltrace中构建大开口槽式聚光器和带有平板反射镜的高温集热管，首先：对于给定的大开口槽式聚光器，移动90mm-80mm-70mm三种不同管径的金属吸热管的位置，使经过吸热管底端的太阳光线全部被拦截，得到吸热管在槽式聚光器中的位置；然后：移动平板反射镜的位置，使经过吸热管上端的所有太阳光线被二次反射镜反射到吸热管上，得到平板反射镜的位置；最后：根据平板反射镜上太阳光线的光斑宽度，得到二次反射镜的宽度；这一步得到90mm-80mm-70mm三种不同管径的金属吸热管的集热管中二次反射镜尺寸和位置及吸热管在大开口槽式聚光器中的具体位置。

12、进一步地，第二步的具体方法是：将90mm-80mm-70mm三种不同管径的金属吸热管的集热管及槽式聚光器分别放在soltrace光学仿真软件中构建聚光集热系统，输入光学参数，计算得到三种不同直径吸热管的周向热流密度和光学效率ηopt。

13、进一步地，第三步的具体方法是：在fluent中建立单位长度的新型高温集热管模型，将第二步中的吸热管轴向的热流密度作为边界条件，选定流体介质高温熔融盐及调节流速v，使吸热管上平均温度比流体工质温度高10℃以内，计算得到流体工质吸收的热量及三种新型集热管的热效率ηth。

14、进一步地，第四步的具体方法是：

15、用第二步得到的光学效率减去第三步得到的热效率得到热损失系数，即单位长度的热损失量，得到热损失系数aloss的数学表达式:

16、aloss＝dni·k·(ηopt-ηth)   (1)

17、dni为太阳直射辐射强度，单位为w/m2，k为大开口槽式聚光器的开口宽度，单位为m,热损失系数aloss的单位为w/m2；

18、改变第二步中soltrace光学仿真软件中的流体工质的温度继续利用fluent计算得到不同温度t下的热效率ηth，利用公式(1)得到不同温度t下集热管的热损失系数aloss，拟合热损失系数，得到热损失系数aloss和温度t的关系式：

19、aloss＝a+b·t+c·t2   (2)

20、其中a、b、c为拟合系数。

21、进一步地，第五步的具体方法为：

22、集热管表面涂层吸收的太阳能减去热损失得到大开口槽式系统吸收的热能，单位长度的大开口槽式系统输出的热能qth表示如下：

23、qth＝dni·k·ηopt-aloss   (3)

24、根据公式(3)，计算采用不同直径吸热管的集热管在不同温度下(t)的输出热能qth；

25、当系统建立的地区及及该地区的太阳直射辐射强度值、大开口槽式聚光器的开口k和集热管的吸热管直径确定以后，采用每种直径吸热管的集热管的光学效率ηth已确定，根基公式(2)和(3)得到，输出热能qth关于温度t的函数关系，即选用不同直径的吸热管，通过比较所需出口温度t下输出热能qth的大小，得到该温度区间内选用的最佳吸热管直径大小。

26、进一步地，第六步的具体方法为：

27、根据第五步得到的该温度区间内选用的最佳吸热管直径大小，在该温度区间内对热损失系数aloss求积分下的平均值，得到平均热损失系数然后根据公式(4)得到该温度区间的系统长度l

28、

29、其中m为质量流量(kg/s)，为第三步中调节流速v和金属管横截面积和工质密度的乘积，cp为工质的比热容，δt为该温度区间内的平均温度；

30、最后将不同温度区间得到的长度l和该区间集热管的吸热管直径选定构建成梯级槽式太阳能聚光集热系统，满足出口温度。

31、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

32、1.采用了梯级槽式聚光集热技术，实现了净能输出最大化，系统回路缩短了70m左右，效率提高了4％；

33、2.增加了制造简单的平板二次反射镜，热效率高的同时成本低；

34、3.增大聚光器开口同时提高聚光比，使得出口温度高，降低建设成本。