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在工程方程求解器中实现
太阳能接收器抛物线槽的传热分析与建模
简介
本报告描述了在工程方程求解器（EES）中实施的传热模型的开发，验证和使用。该模型决定了抛物线槽式太阳能集热器线性接收器的性能，也称为集热器元件（HCE）。讨论了模型中使用的所有传热和热力学方程，光学性质和参数，以及所有模型输入和输出。 输入包括收集器和HCE几何结构，光学特性，传热流体（HTF）特性，HTF入口温度和流量，太阳入射强度，风速和环境温度； 输出包括收集器效率，HTF出口温度，热量增益以及热量和光学损耗。 还讨论了建模假设和限制，以及对模型改进的建议。
该模型在EES中实施了四个版本：一维设计研究，二维设计研究，AZTRAK测试数据和KJC测试循环数据。 这两个设计研究版本是为进行HCE设计和参数研究而开发的。 开发了两个测试数据版本，用于验证模型和评估现场测试数据。 一维和二维能量平衡是在代码中使用。 评估长接收机时，二维模型变得必要。 一维模型适用于短接收机和进行设计和参数比较。 一维版本提供更快的收敛时间。 讨论每个版本的代码包括EES图窗口，参数表和查找表。 详细的EES软件不包括说明; 但是，提供了参考文献。
还介绍了模型验证以及设计参数研究用来展示模型的多功能性。通过比较EES代码的现场测试版本和实验结果来验证该模型。现场测试包括来自新墨西哥州阿尔伯克基桑迪亚国家实验室（SNL）的收集器测试平台的数据以及来自加利福尼亚州克拉梅尔焦点运营的太阳能工厂中收集器测试回路的数据。 设计和参数研究部分包含众多图表，显示基于不同设计和参数输入的HCE性能趋势。 在设计和参数研究的基础上，对进一步研究和改进抛物线槽进行了讨论。
在附录中提供了附加的模型开发分析，以及EES代码的两个设计研究版本的副本以及大量的分析和参数参考。 不包括AZTRAK和KJC测试循环数据版本的代码; 然而，它们与设计研究版本非常相似。 由于所需的输入和输出比较，它们略有不同。
HCE性能软件模型与接收机现场测试结果进行了很好的比较，并从设计和参数研究中提供了许多HCE设计见解。
1.1背景
聚光太阳能（CSP）已经使用了100多年。最初，CSP用于小规模太阳能热机械应用，输出功率为100千瓦，主要用于抽水。只有在1973年的能源危机之后，大型太阳能发电厂的想法才得以实现。从20世纪80年代末开始，在加利福尼亚州南部的莫哈韦沙漠建成并运行了9个太阳能发电系统（SEGS）。这些SEGS电厂的规模从30兆瓦到80兆瓦不等，南加州爱迪生公用事业公司的总发电功率为354兆瓦。他们为超过30万居民提供足够的电力，每年取代200多万桶石油。
位于加利福尼亚州克拉默章克申的五个SEGS在鸟瞰图中显示（图1.1）。 所示的SEGS由克莱默结公司经营公司运营。 这些设备是天然气补充蒸汽朗肯涡轮机/发电机系统。 天然气补充了太阳能日照时间较短时所需的能量输入，并允许工厂在峰值输出下运行24小时/天。 集热器中间显示的建筑物包含热交换器，天然气锅炉以及抽水和发电设备。 一些SEGS工厂设计仅限于太阳能; 一些还具有储热能力。
图1.1五座30兆瓦SEGS太阳能电站的鸟瞰图
图1.2 具有蓄热能力的大型抛物槽太阳能发电装置的工艺流程示意图
图1.2显示了SEGS发电厂的示意图。该工厂由多排太阳能槽组成（也称为太阳能集热器组件[SCAs]），存储热能的存储系统（可选），产生过热蒸汽的热交换器以及将热能转换为电能的标准电源循环。也可能有一个补充锅炉系统。太阳能被HTF（可能是合成油或熔盐）捕获，并转移到热交换器进行热储存或蒸汽生成。热储存在太阳日晒期间收集太阳能，并在低日照期间补充热量输入。天然气锅炉将用于进一步调节热量输入并允许24小时工厂运行。
通常情况下，槽式槽的设计是为了提供足够的热量输入，将HTF的温度提高到400℃左右 ，足以为标准的兰金蒸汽发电厂生成过热蒸汽。出口温度由HTF流量，蓄热和天然气加热器维持。
图1.3 位于西班牙太阳研究试验设施的抛物线槽SCA
图1.3显示了西班牙一个实验性太阳能测试设施的一排SCA。 该图说明了太阳能槽的主要组成部分。 它由抛物面反射槽，钢支撑结构，吸收管（HCE）和单轴驱动机构组成。 槽式反射器提供了大约5米宽的孔，其可以延伸数千米，这取决于特定工厂中的SCA的数量。 HCE的直径约115毫米，支撑支架之间4米长的支撑支撑在焦线处。 每个SCA系统可以独立于收集器领域的其余部分移动。 这允许维护和控制HTF温度的机制，因为在操作期间可以将一个或多个SCA取下来，这有效地控制了太阳能输入。
图1.4显示了一个HCE图。 HCE由两端带有波纹管的玻璃外壳内的吸收体组成。 吸收体通常是直径约70毫米的不锈钢管，在外表面上有特殊的涂层（选择性涂层）以提供所需的光学性能。 选择性涂层对太阳能谱中的辐射具有高吸收率，并且在长波能谱中具有低发射率以减少热辐射损失。 第6.2节讨论了对HCE性能有很大影响的选择性涂层类型。
图1.4 一个HCE的示意图
玻璃外壳保护吸收器免受降解并减少热量损失。 它通常由Pyrex制成，在高温下保持良好的强度和透光率。 为了减少反射损失，玻璃封套通过抗反射处理，基本上是轻微的化学蚀刻。 吸收器和玻璃外壳之间的环空间处于真空状态以减少
热损失并保护选择性涂层。 安装在环空中的吸气桥由金属化合物组成，吸收氢气 - 从HTF自然渗透，如果留在环空中会降低HCE的性能。 吸气剂是由钡组成的真空损失指示器，当暴露于氧气时其变为白色。
波纹管提供玻璃与金属密封，并允许金属吸收体和玻璃外壳之间的热膨胀。 波纹管还允许吸收器伸出玻璃外壳，使得HCE可以被对接焊接在一起以形成连续的接收器。 此外，波纹管之间的空间提供了一个安装HCE支架的地方。
多年来，运营问题，收集成本和低油价的组合限制了CSP的发展。 随着材料，光学，结构和控制方面的最新改进 - 以及对清洁能源重要性的重新认识，CSP已成为大规模发电的更可行的选择。 领先的技术是抛物面槽式太阳能技术，这是目前最成熟，成本最低的大规模CSP技术。
1.2起因
在抛物槽技术发展初期，低效HCEs是SEGS性能不佳的主要原因，因此改进HCE成为当务之急。 一个有用的改进HCE的工具是一个热传递软件模型，可用于评估新的和当前的HCE设计。 第一个软件模型是在20世纪90年代初设计的，并在数年后进行了升级。该软件在HCE改进中发挥了重要作用，这已被证明是SEGS工厂性能提高的主要原因。 但是，HCE性能软件往往存在问题，需要进行另一次升级。
该软件模型的第一个版本是由能源研究协会于1992年开发的，并以微软的QuickBasic编写。 它基于SNL提出的方法，因为QuickBasic已经过时了，SNL在1999年用微软Excel Visual Basic编写了第二个版本。 第二个版本改进了算法和用户界面。 然而，它使用了一种常常无法收敛于解决方案的数值求解技术，并且由于传热模型的简化，无法模拟许多接收器配置。
为开发更高性能的抛物面槽式接收器，美国能源部（DOE）资助的国家可再生能源实验室（NREL）决定改进HCE性能模型，以满足该方案的分析需求。这项由NREL赞助的工作包括开发和记录这个模型。
EES中实施的新HCE性能模型改进了传热分析，多功能性和计算速度; 提供了额外的模型细节（二维能量平衡模型，HCE支架损耗，压力损失等）; 提高了模型的坚固性; 并改进了建模的输入和输出能力。 它独立于前两种模型开发，因此它验证了SNL最初提出的传热方法以及原始方法（更详细的努塞尔数相关性，HCE支架损失，二维模型等）的所有变化。 最后，它是在一个更强大的编程环境中开发的，它更适合模型更改和改进。 该模型在第2节中描述。
2 HCE性能模型
该HCE性能模型是基于对收集器和HCE的能量平衡。 能量平衡包括入射到集热器上的直接正常太阳辐射，来自收集器和HCE的光学损失，来自HCE的热损失以及进入HTF的热量损失。 对于短接收机（lt;100米），一维能量平衡给出了合理的结果; 对于较长的接收器，二维能量平衡变得必要。 在一维和二维HCE性能模型中使用的所有方程和关系在下面的章节中描述。
2.1一维能量平衡模型
HCE性能模型采用导热油(HTF)与大气之间的能量平衡，并且包括需要预测在能量平衡的条件，这依赖于收集器类型，HCE条件，光学性能，并在环境条件所有方程和相关性。
图2.1a显示了HCE横截面的一维稳态能量平衡，无论玻璃外壳是否完好，图2.1b显示了热阻模型和下标定义。为了清楚起见，电阻模型中省略了输入的太阳能和光学损耗。光学损耗是由于收集器反射镜的缺陷，跟踪误差，阴影以及反射镜和HCE清洁度（见第2.1.6.1节）造成的。有效的入射太阳能（太阳能减去光学损耗）被玻璃外壳（q5#39;SolAbs）和吸收剂选择性涂层（q3#39;SolAbs）吸收。吸收到选择性涂层中的一些能量通过吸收器（q23#39;cond）传导并通过对流（q12#39;conv）转移到HTF;剩余的能量通过对流（q34#39;conv）和辐射（q34#39;rad）传回玻璃包层，并通过传导（qcond#39;，括号）通过HCE支架损耗。辐射和对流的能量然后通过
通过传导（q45#39;cond）以及玻璃包膜（q5#39;SolAbs）吸收的能量通过对流（q56#39;conv）和辐射（q57#39;rad）损失到环境中。如果玻璃外壳丢失，吸收器的热损失直接损失到环境中。该模型假定所有温度，热通量和热力学性质在HCE周围均匀。而且，图2.1a所示的所有磁通方向都是正的。
在图2.1的帮助下，能量平衡方程是通过在HCE横截面的每个表面处保存的能量来确定的，无论玻璃外壳是否完好无损。
图2.1 A）一维稳态能量平衡 B）热阻模型的一个间断面
注释：absorber pipe-吸收管 selective coating-选择性涂层 heat transfer fluid-传热流体 convection-对流 conduction-传导 radiation-辐射 convection-对流
（1）传热流体 （2）吸收器内表面（3）吸收体外表面（4）玻璃封套内表面
玻璃封套外表面（6）周围的空气（7）天空
有玻璃外壳：
没有玻璃外壳：
在没有玻璃外壳的示例中，方程2.1c 和2.1d中吸收器的四个下标，对流和辐射分别改变为6和7，因为吸收体外表面的热量损失是直接泄漏到环境中的，而不是透过玻璃外壳。
另外，太阳能吸收率q3#39;SolAbs和q5#39;SolAbs被视为热通量项。 这简化了太阳能吸收项，并使通过吸收管和玻璃外壳的热量传导为线性。 实际上，吸收体（不透明金属材料）和玻璃外壳（半透明材料）中的太阳能吸收是体积现象。 然而，吸收体中的大部分吸收发生在非常接近表面处（约6埃），并且虽然太阳吸收发生在玻璃包膜的整个厚度上，但吸收率相对较小（alpha;= 0.02）。 因此，作为表面现象处理太阳吸收的任何错误应该相对较小。
方程2.1和2.2中的所有术语在表2.1中定义。 虚线变量表示速率，主要表示接收器的每单位长度。 双素数将指示每单位正常孔径面积。
表2.1热通量定义
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热通量 |
传热模式 |
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