毕业论文（设计）槽式太阳能聚光集热系统设计研究.pdf

分 类 号 学号 M201070775学校代码10487 密级详中科技大牙硕士学位论文槽式太阳能聚光集热系统设计研究学位申请人：学科专业：指导教师：答辩日期：独创，性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。保密口，本论文丁,一 不保密口。在年解密后适用本授权书。（请在以上方框内打“4”）学位论文作者签名：指导教师签名:日期：年 月 日日期：年 月 日华中科技大学硕士学位论文摘 要槽式太阳能集热技术是近年应用越来越广泛的清洁能源技术。我国有丰富的太阳 能资源，太阳能集热技术在我国有良好的发展前景。槽式太阳能集热系统除了可以发 电使用外，还可以在工业领域内大规模应用。鉴于我国目前还没有成熟的商用槽式太 阳能集热系统，本文对槽式太阳能集热系统的设计和应用展开研究，主要内容如下：通过对太阳辐射相关的基本概念和参数的介绍，研究了晴空条件直接太阳辐射的 计算，使用Matlab中的simulink工具建立了直接太阳辐射的计算模型，并选用不同城 市的实测结果与之对比，结果显示模型的最大相对误差不超过10%,证明模型具有一 定的精确度，可用于直接太阳辐射的估算；研究了槽式太阳能集热器光学效率的计算 方法，使用simulink建立了槽式太阳能集热器光学效率计算模型，并以此模型与实际 的LS-2、LS-3型槽式太阳能集热器做对比，经验证，槽式太阳能集热器光学效率计 算模型的相对误差小于5%,具有一定的精确度，可用于槽式太阳能集热器光学效率 的计算。研究了槽式太阳能集热器真空管的换热过程，分析了真空管的基本换热过程，在 此基础上提出了真空管集热器热损失的计算方法，并用simulink工具采用循环迭代的 方法建立了太阳能集热器真空管热损失计算模型，并和LS-2实验结果对比，结果显 示最大相对误差不超过6%,证明此模型具有一定的精确度，可用于槽式真空管的热 损分析和设计；提出了集热场集热效率计算和集热场布局设计方法，并使用simulink 建立了模型。针对某油田的蒸汽负荷状况，设计了槽式太阳能油田蒸汽生产系统方案，计算了 不同蒸汽参数下集热场的布局状况；在此基础上对不同方案的蒸汽参数和集热场面积 关系进行了分析，发现集热场面积变化趋势与蒸汽参数变化基本成正比关系，但集热 场的布置的影响会使总体趋势出现一定的波动；分析了同一蒸汽参数下最佳的集热场 出口温度，得出当集热场出口温度与蒸汽温度端差较小时集热场占地面积较小；分析 了不同方案的月均蒸发量，得出采用蓄热方式可以有效的改善蒸汽生产的波动性，保 华中科技大学硕士学位论文持蒸汽产量的稳定性的结论；分析了不同蓄热时长对蒸汽生产的影响，5h蓄热时长 可以同时兼顾能量的充分利用和蒸汽生产的平稳性。介绍了槽式太阳能集热实验系统的基本原理和实验参数的设定，阐述了实验系统 中槽式太阳能集热器、管路热系统和数据采集监控系统的构成，搭建了槽式太阳能集 热实验系统，可用于槽式太阳能集热器热性能和槽式集热实验系统的运行研究。关键词：太阳能集热场槽式集热器设计华中科技大学硕士学位论文AbstractThe parabolic trough solar concentrating technology is a kind of clean energy technologies which is used more and more in recent years,China has abundant solar energy resources,solar concentrating technology has good prospects fbr development trough solar collector system in China.Not only used in generating electricity,the parabolic trough solar concentrating system also can be used fbr large-scale application in the industrial field.Taking into account that we have no mature commercial trough solar concentrating system,this dissertation research solar collector system design and application,the main content is as follows:By introducing the basic concepts and parameters of the solar radiation,the dissertation established a computational model of direct solar radiation and carried out it by Simulink tools in Matlab software;compared the measured results and the results showed that maximum relative error of model does not exceed 10%,and prove that the model has a certain precision,can be used fbr the estimation of the direct solar radiation;established a computational model of trough solar collector optical efficiency and used Simulink to build trough solar collector optics efficiency calculation model,by comparing with the actual LS-2,LS-3 type trough solar collectors,proven trough solar collector optical efficiency calculation model relative error of less than 5%.The dissertation analyzed heat transfer process of trough solar collector vacuum tube established a vacuum tube collector heat loss calculation method and achieved it by Simulink tools with iterative algorithm,and LS-2 experimental results showed that the maximum relative error does not exceed 6%,proving vacuum tube heat loss model can be used to prove that this model has a certain accuracy;found the collection efficiency of the collector field and the solar collector field layout design method,and use Simulink established a model.The dissertation introduced Steam load conditions of an oilfield Resigned trough solar oilfield steam production system programs and calculated the layout of the collector field under different steam parameters;compared steam parameters of different programs with collector field area,found collector field area trends is basically same with steam ill华中科技大学硕士学位论文parameters change,but the impact of the collector field layout make the overall trend appears certain fluctuations;analyzed the same steam parameters under different outlet temperature?the best collector field outlet temperature obtained when the outlet temperature of the collector field closest to the steam temperature;analyzed of the monthly average evaporation of the different programs and found using thermal storage can effectively improve the production of steam volatility,maintaining the stability of steam production;analyzed the impact of the different regenerative duration of steam production,5h regenerative length can make full use of both energy and steam production steady.The dissertation introduced the basic principles of the trough solar collectors experimental system and the set of experimental parameters;Elaborate the experimental system trough solar collectors,piping hot system and data acquisition monitoring system and built trough solar collector experimental system which can be used to run trough solar collector thermal performance and trough collector experimental study.Keywords:Solar power Solar collector field Parabolic trough solar collector DesignI V华中科技大学硕士学位论文目录摘 要.IAbstract.Ill1绪论.11.1 课题研究的背景及意义.11.2 槽式太阳能集热器研究现状.21.3太阳能聚光热利用技术研究现状.61.4 本文研究内容.122槽式太阳能集热器光学系统建模及计算.132.1 太阳辐射相关的基本概念和参数.132.2 直接太阳辐射的计算.172.3 槽式太阳能集热器光学效率的计算.202.4 本章小结.273槽式太阳能集热器热力系统建模及计算.283.1 太阳能集热管换热模型.283.2 太阳能集热场热力建模.393.3本章小结.424槽式太阳能蒸汽生产系统设计及分析.434.1稠油油田蒸汽负荷分析.434.2 稠油油田蒸汽生产系统方案设计.454.3 槽式太阳能蒸汽生产系统方案分析.624.4本章小结.675槽式太阳能集热系统实验设计.675.1实验系统的目的和原理.685.2实验系统本体构成.72v华中科技大学硕士学位论文6总结和展望.796.1全文总结.796.2研究展望.80致谢.81参考文献.82附录研究生期间工作.87VI华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1 课题研究的背景及意义1.1.1 太阳能与中国能源问题中国是世界上最大的发展中国家，也是经济发展速度最快的国家之一，经济的 增长和人口的压力对中国的能源供给提出了挑战。中国的能源消费结构中，煤炭资 源所占的比重是最大的，其次是石油，然后是水电和核能，2010年它们的比例依次 为70.5%、17.6%、6.7%和0.7%,而可再生能源所占的比例只有0.5%,非可再生 能源却高达99.5%1O 2007年，中国石油对外依赖度达到50%,开始进入能源预 警期；2010年，中国原油进口 2.39亿吨，出口 303万吨，国内产量2.03亿吨，对 外依赖度为53.8%,较2009年的51.3%增长了 2.5个百分点；2011年我国石 油对外依存度达到56.5%,比2010年上升了 1.7个百分点。煤炭、石油大量生产 和使用中存在一系列问题，如资源回采率低、浪费严重，安全事故多发、死亡率高,对地表生态和地下水系破坏大。此外，煤炭生产和消费中产生的SO2、粉尘、CO2 等是大气污染和温室气体的主要来源。这说明中国面临着资源紧缺、能源消费结 构单一、能源对外依存度高、污染严重的问题。因此，调整和优化能源结构是中国 想要实现可持续发展必然要走的道路。实现这一转变最重要的一个途径便是大力发展清洁可再生能源。太阳能是一种 资源丰富，无需运输，又不会污染环境的最佳自然资源。地球所接受的太阳能功率,平均为1367w/n）2（即所谓的“太阳常数）即太阳每秒照射到地球上的能量约为500 万吨煤当量4。我国太阳能资源非常丰富，最丰富的地区包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西藏西部等地。全国陆地表面每年接收的太阳辐射相当于 49000亿吨标准煤，将其用来发电相当于万个三峡电站的发电总和。因此，研究 华中科技大学硕士学位论文和发展太阳能利用技术是解决中国能源问题的一个很好的切入点，能够在一定程度 上优化中国的能源结构和产业布局。1.1.2 课题的意义太阳能热利用系统的主要部件为太阳能集热器，中高温太阳能集热器为太阳能 热量的大规模利用提供了可能性。抛物面槽式集热系统是目前在国外大规模应用的 中温型集热系统，是目前太阳能热发电技术中相对比较成熟且已经在国外商业化的 一项技术。自二十世纪九十年代以来，美国作为太阳能光热利用的先驱已经陆续建 成十几座抛物面槽式太阳能集热器场，每年有接近4000小时的运行小时数，年供应 约11亿千瓦时的电能。西班牙，德国等国家也在大力研究槽式太阳能热力发电站 的运行和控制，并建立了相应的电站，这些电站运行表明，槽式太阳能热发电技术 是一种很有前途的新兴技术，具有很好的经济性。槽式集热器是槽式太阳能集热系统的核心元件，因此，很有必要对抛物面槽式 太阳能集热器原理进行研究，分析其热力性能，从而能够为太阳能集热器的设计和 改进提供参考依据。由太阳能集热器所组成的集热场是太阳能集热系统的主体部分,太阳能集热场的设计和布局对整个集热系统的运行性能和经济性至关重要，对于太 阳能场的性能和布局的研究能够为我国的槽式太阳能集热系统提供参考。太阳能集热系统除了在高温热发电领域大规模应用，在工业热利用领域也有充 分的发展，油田采油工业流程中需要消耗大量的能源进行蒸汽生产，研究太阳能集 热系统的工业应用特别是油田采油工业的应用，能够进一步拓宽太阳能集热场系统 的应用范围，从而促进太阳能产业的稳定有序的发展。1.2 槽式太阳能集热器研究现状1.2.1 槽式太阳能集热器国外研究现状槽型太阳能集热器主要由抛物面反射镜、玻璃真空集热管、支架和跟踪控制系 统四部分所组成，国外早在19世纪90年代便对槽式太阳集热器展开了研发，主要 2华中科技大学硕士学位论文的研究机构包括美国的国家可再生实验室NREL(National Renewable Energy Laboratory)国际能源机构 I EA(I ntemational Energy Agency)、Luz 公司、Glasspoint 公司、Skyfiiel公司、Solar Millennium公司、西门子公司等。目前取得的进展如下：欧盟支持下的太阳能集热器研究项目Euro Trough对其槽型抛物而集热器的性 能进行了测试。该集热器已通过有限元模拟进行了优化设计，集热器的光学性能比 LS-3型集热器进一步提高，而成本却变得更低网。Skyfuel公司开发了太阳能集热器产品Skytrough,SkyTrough集热器设计延续 了传统玻璃镜面抛物槽式系统的可靠性。由于其重要的设计和材料的创新，产生一 些经济和性能上的优势，包括使用ReflecTech镜面膜替代凹面玻璃，回转液压驱动 系统。SkyTrough的高反射率表面是一层非玻璃的银质金属聚合物薄膜，称为 ReflecTech镜面膜。这种专利镜面薄膜具有适应各种天气，操作简单，轻便和已被 商业验证的特点。GlassPoint公司研发出一种新型槽式太阳能集热系统，该集热系统安置于玻璃 温室内，温室内抛物槽式玻璃厚度得以减少，从而减轻了整个系统的重量，进而可 以采用较低强度的支架，系统的安装成本得到降低。由于玻璃温室的保护，集热系 统受恶劣天气的影响进一步降低，风速因素的减弱降低了集热装置的热损失，故此 系统可采用普通的金属管替代常规的玻璃-金属真空管，降低了系统的成本的同时热 效率并未受影响口叫ASHegazy研究了一种吸热管带翅片的新型槽式集热器的热性能，并以埃及地 理环境为例与传统槽式集热器的热性能进行了对比，经分析比传统集热器效率高 3%11oYong Kim等人研究了一种双层玻璃抛物槽式太阳能集热器的性能，设计了 4 种不同的吸热管布置方案，以空气为工作工质，考虑太阳辐射、散射、遮挡效应对 集热器的影响I Dirk Kruger等人对Solitem PTC 1800型槽式集热器的光学性能进行了研究，并 在工作温度为200,工质为高压水的实验条件下测试了此槽式集热器的热损失口叫3华中科技大学硕士学位论文O.Garcia-Valladares等人对单程和双程的槽式集热器的传热和流动特性进行了 数值研究，并与美国Sandia实验室的数据进行了对比分析，研究表明双程集热器的 热效率比单程集热器要高口3Hany Al-Ansary等人采用数值分析法研究了半绝缘非真空抛物槽式集热器的导 热和对流热损失，并将计算结果与常规槽式集热器的性能进行对比，结果表明此种 集热器在中低温下具有较好的热效率和经济性。Ricardo Vasquez Padilla等人建立了抛物槽式集热器的一维微分模型，并对槽式 集热器分段分析，采用偏微分非线性求解器进行了求解，为验证模型的结果，与美 国Sandia实验室的实验结果进行了对比，结果表明与实验结果相差不大口叫122槽式太阳能集热器国内研究现状由于国内对槽式太阳能集热技术的关注较晚，产业也是近年来才开始发展，主 要的研究进展如下：皇明太阳能公司和中科院共同研发出国产槽式太阳能集热器，其中抛物镜采用 1.1mm超薄平板镀银反射镜和4mm热弯玻璃复合而成，集热器模块长度为4.06m,开口宽度达5.76m,集热管真空度小于O.OlPa,涂层吸收率大于96%,400时，发 射率小于12%,最高工作温度达500,峰值光学效率可达81%口刃。兰州大成科技股份有限公司开发出一种太阳能集热器。其中真空管单管长度 4m,涂层吸收率大于92%,400时，发射率小于14%,有70mm和90mm两种内 管规格。聚光镜为2mm的强化超白玻璃。开口宽度为5.785m,集热器模块长度为 12m”。国能阳光新能源科技有限公司开发出两种型号的真空集热管，单管长度分别为 4.06m和2.1m,玻璃外管透光率为94%,涂层吸收率为94%,涂层发射率为11%,工作温度可达40019o4华中科技大学硕士学位论文青岛奥博太阳能新能源科技公司研发出自主产权的真空集热管系列。集热管长 度有4种规格，阳光透过率为94%,涂层吸收率为95%,发射率小于12%,有效长 度率为92.8%96%12叫西安交通大学程泽东、何雅玲等人设计了几种结构参数(焦距、管径)不同的集 热器，对吸热管外混合对流换热进行了模拟研究0。此后，又对槽式太阳能集热器 内的耦合换热过程进行了耦合求解HL采用蒙特卡罗光线追踪法(MCRT)对抛物槽 式系统聚光特性进行了模拟研究23。北京工业大学熊亚选等人通过分析槽式太阳能集热管热损失的计算方法和传热 过程，建立了槽式太阳能集热管传热损失模型，并验证了模型的有效性，利用此模 型研究了环境条件对太阳能集热管传热损失影响，并进行了对比分析口。此后，又 利用最新一代槽式太阳能集热管、结合LS-2聚光器，对其太阳能集热系统的光热性 能进行了详细的数值研究3。南京工业大学的李四海等人结合热力学第一定律与热力学第二定律，对槽式太 阳能直接产生蒸汽热发电系统进行了传热和火用分析。以I NDI TEP项目为例，对该 系统进行了热平衡计算与火用平衡计算，得到各部件与整个系统的热效率与火用效 率26。徐吉富等人在建立单轴跟踪槽式太阳能集热器模型的基础上，着重分析了集 热装置的热效率和火用效率，研究了聚光比、辐射强度等因素对太阳能集热器的影 响囚。张红等人设计了一种热管式太阳能集热器28。中国科技大学的乔力等人建立槽式抛物镜太阳能集热器系统的集热过程动态仿 真模型，计算了直射强度、工作介质温度、瞬时效率等因素随时间的变化规律.I。中科院工热所的王志锋对单轴跟踪太阳聚集系统进行了光学分析，重点分析了 集热管内流体的混合对流的传热过程皿。中国科技科大学韩崇巍建立了槽式抛物面太阳能聚焦集热器的一维、非稳态传 热模型，对槽式集热器的热性能进行了数值模拟，实验结果表明误差不大于5%。华北电力大学崔映红等人在已有的计算集热器场吸收有用能量模型的基础上进 行了优化，利用优化模型对抛物面槽式太阳能集热器场热损失进行了分析。结果表 5华中科技大学硕士学位论文明，集热器集热元件热效率，入射角以及由入射角引起的端部损失是影响集热器场 效率的主要原因卬。此后，又对已有集热器传热模型的基础上进行简化，研究了真 空度，辐射强度，风速的影响囚。清华大学的梁征对太阳能槽式集热系统的动态传热特性进行了数值模拟。建立 了管内流体的一维传热模型，此模型具有一定的精度，采用该模型分析了恒定辐射 强度下，入口温度、环境温度、流体质量流量等对集热器性能的影响及集热器出口 参数变化规律ML1.3太阳能聚光热利用技术研究现状1.3.1 槽式太阳能热发电技术现状槽式太阳能热发电系统基本原理是利用抛物镜面的线聚光特性进行热量采集，用真空集热管对热量进行运输和传递，通过换热器产生蒸汽来推动汽轮机进而产生 电力的工业热系统。槽式太阳能集热场是槽式太阳能热发电集热系统的主体，它由 多个聚光集热器审联或并联组成的集热器阵列。根据槽式集热器内传热工质的不同,太阳能热发电系统分两类：集热场系统使用水直接在各个聚光集热器中加热形成蒸 汽送至汽轮机系统称为单回路系统，如图1-1所示；集热场中传热工质在聚光集 热器中加热所吸收的热量通过换热器将热量传递给水产生蒸汽，再将蒸汽送至汽轮 机系统称为双回路系统，双回路系统如图l-l(b)所示唐。槽式集热场(a)单回路系统6华中科技大学硕士学位论文蓄热换热（b）双回路系统图1-1单回路和双回路系统结构简图槽式太阳能热发电系统在美国已具有大规模商业化运行的经验。美国和以色列 组建的Luz公司从19851991年短短的七年间投资12亿美元在美国加州Mojave沙 漠兴建了 9座槽式太阳能热发电系统（SEGS ISEGS IX），总装机容量达354MW,至今仍在运行。这九座电站的建立和运行极大的推动了太阳能热发电技术的发展。表1-1为SEGS系列电站的基本参数网。槽式太阳能热发电技术在美国、西班牙、德国已得到充分的发展和应用。表1-1 SEGS系列电站相关参数电站名称 SEGS I SEGS SEG SEGS SEGS SEGS SEGS SEGS SEGS运行时间198419851986198619871988198819891990净发电功率13.83030303030308080净发电量30.180.591.391.399.290.992.6252.8256.1占地面积29678080876668162169集热场面积8.919232325.118.819.446.448.4集热器类型LS1&2LS1&2LS2LS2LS2LS2LS2&3LS3LS3集热场出口温度（）307321349349349349391391391集热场年热效率（）354343434343435350热传输介质ESSOVP1VP1VP1VP1VP1VP1VP1VP1汽轮机功率14.73333333333338989汽轮机入口压力3.532.724.354.351010101010汽轮机入口温度（）415360327327327371371371371年均发电效率9.712.410.710.710.212.313.413.913.9使用年限2025303030303030307华中科技大学硕士学位论文一套完整的槽式太阳能热发电系统主要组成部分为：聚光集热子系统、换热子 系统、发电子系统、蓄热子系统和辅助能源子系统。1）聚光集热子系统主要由太阳能集热场构成，而槽式太阳能集热场又由串联或 并联的槽式太阳能集热器构成。槽式太阳能集热器的主要组成部分为聚光器、接收 器和跟踪装置。聚光器是由抛物槽式镜面构成，反射镜一般要求具有较高的聚光比、抗风、抗震和抗腐蚀能力。一般采用银或铝为反光材料的抛物面玻璃背面镜，银或 铝反光层背面喷涂有保护膜，因为镜面的抛物结构，加工较复杂36。在目前的电站 中大多采用FLABEG公司生产的反射镜。聚光器一般要达到以下要求：a）聚光比在60100；b）正常工作最大风速为6级风，可抵御8级风，10级风条件不损坏；c）反射镜面总反射率大于90%,年衰减度小于2%；d）具有抗腐蚀能力卬。目前的聚光器按反射方式有一次反射和二次反射，二次反射聚光比很高但是要 两套传动机构，造价高。聚光器支架主要有扭矩盒式支架、扭管式支架和间隙式。支架一般采用金属材料如铝，木质结构的支架还在试验阶段，未得到工程应用。集热管一般为玻璃-金属真空集热管，其外管为玻璃管，内管为镀膜的金属管，内管内为流动的加热工质，内外管靠真空隔热。集热器要达到以下要求：a）集热器参数设计合理，聚焦的太阳能不散焦；b）太阳能光谱吸收率高，主要通过涂层实现；c）高温时辐射率，通过涂层实现；d）金属管导热性能良好ML目前的太阳能集热管有直通式金属一玻璃真空管、热管式真空管、双层玻璃真 空管、聚焦式真空管和空腔管等几种，其中直通式金属一玻璃真空集热管应用的最 多，但它也有很多问题：金属与玻璃的联接要求高，长期运行过程中环状空间真空 8华中科技大学硕士学位论文度难以保持;选择性吸收涂层因与金属管膨胀系数不同导致反复变温下涂层易脱落;高温下选择性吸收涂层容易老化。目前能生产合格的真空管的厂家主要有以色列的 SOLEL公司和德国SCHOTT公司，目前正他使用的真空管有LS-3,LS-4,ET-100,DS-1等。聚光集热子系统是系统的核心，也是太阳能发电厂造价最昂贵的系统之一。2）换热子系统主要由预热器、蒸汽发生器、过热器等换热器构成口。当工质为 导热油时，此为双回路系统，加州的九座SEGS电站均以导热油为中间介质。目前 也有直接以水为工质的发电系统，即DSG（Direct Steam Generation）系统，采用此 系统时，换热子系统可得以简化。两种区别在于：双回路系统采用导热油作为吸热 工质，导热油在高温下易燃，容易出现事故；DSG系统采用水-蒸汽做介质相对安 全，但整个系统要求高温、高压，对系统的设计提高了标准；双回路系统的工作压 力1.5MPa,系统风险较小。DSG技术可细分为以下三种：a）一次通过式：即工质水在集热管中经过预热、蒸发、过热三个阶段逐步产生 过热蒸汽。此种方式结构简单、成本较低。此方式的主要问题是集热管中的水 和蒸汽两相的流动稳定性较差导致系统控制较困难；b）逐步注入方式：逐步注入方式中每个集热器单元拥有测量装置，时刻监测集 热器内水-水蒸气相变并即时提取蒸汽，逐次注入方式中集热管两相流体流动平 稳，降低了系统的控制困难。但由于增加了许多阀门和测量仪表等导致投资较高;c）再循环方式:再次循环方式系统将蒸汽生产分成预热、蒸发部分和过热三段。预热、蒸发段的末端安置有汽-水分离器，水在此送至预热、蒸发段始端重新循 环，饱和水蒸汽则进入过热段变成过热蒸汽。再次循环方式中集热管两相流体 流动较稳定，但也有系统控制不易、初始投资高等困难小。3）发电子系统：基本组成与常规发电设备类似，但因为太阳能发电系统存在间 歇性的特点，所以需要辅助能源系统保持持续发电。9华中科技大学硕士学位论文4）蓄热子系统：当太阳能热量饱和时太阳能热发电系统需要配备蓄热系统收集 多余的热量避免能量的浪费，此能量可在太阳能热量不足时释放供给集热系统。蓄 热方式主要有显式、潜式和化学蓄热三种方式。蓄热的工质一般有油、熔融盐等砌。5）辅助能源子系统：在夜间，一般采用辅助能源子系统来供热，一般是配备化 石燃料锅炉来供热。1.3.2太阳能工业应用技术现状槽式太阳能系统近年来在工业生产中也越来越多的应用，一般其需求的温度范 围为100300。适合的工艺或过程：清洗、烘干、蒸发蒸储、漂白、消毒灭菌、烹调、溶化、表面处理等。主要应用领域：食品加工、饮料生产、酿酒、纺织业、金属和材料处理、化学工业、空调制冷、海水淡化等领域。Abengoa Solar公司于2009年在美国长岛tuba市为美国能源局建立了一套污水 处理系统，太阳能集热场提供热量给蒸储系统来处理被污染的地下水。集热场总集 热面积为160 nl由12个PT-1型集热单元排成2排构成，每排6个单元，东西方 向布置，管内流动的介质为乙二醇溶液，把蓄热罐中的介质加热到77时系统自动 关闭。集热系统把此系统每年可供175MWh的热量，减少75吨的二氧化碳排放量 41 OCochise社区大学于2006年采用一套抛物槽式系统用于加热、通风和空调系统。太阳能集热场面积为634 m2,采用西班牙Abengoa Solar公司生产的I ST-PT1集热 管，加热介质为乙二醇溶液。乙二醇溶液在集热管中被加热送至一个总容量为 28400L的蓄热罐，蓄热罐中温度范围为260中280中（约125）。此套系统一年 四季白天或黑夜均可供热或制冷。制冷时热质被送至氨冷却系统中加热液态氨。此 套系统每年可为Cochise大学节约约3万美元的电费由。西班牙的Lourdes Garcia Rodnguez提出直接产生蒸汽的槽式集热场和多效蒸镭 器相结合的蒸储方式，并以此种方式和常规的槽式集热器+多效蒸储器及常规化石 动力源蒸储厂作对比，分析了这三种方式的性能参数、能源消耗、成本及生产淡水 10华中科技大学硕士学位论文量，认为太阳能集热器+MED（Multiple Effect Distillation）方法和常规能源海水淡化相比 具有竞争力即。西班牙的C.G6mez-Camacho等人研究了多级闪蒸器和多效蒸微器和槽式太阳 能集热场的耦合方法，并以PSA（西班牙某地区）的气候条件为例进行研究，分析 了槽式太阳能集热系统的火用成本阳。随着国家节能减排力度的加大，石油资源采炼成本逐步提高。油田兼具产能大 户和耗能大户双重身份，特别是在原油管输、原油开采的注水、注汽技术等流程中 需要消耗大量能量，原有的燃烧原油产生蒸汽的稠油热采方式需要改变。近年来，太阳能热利用在石油工业中也得到越来越多的应用。委内瑞纳的一条32km长稠油管道采用太阳能集热技术后输油温度从28提高 到60,输送能力提高17%空。Latif Oswaldo Saab V提出了为重油运输而设计的太阳能系统的可行性研究结 果。这些研究已显示出太阳能在石油工业中有良好的应用前景46。2008年，新疆塔克拉玛某油田采用23.4kw单晶硅光伏太阳能电池并入电网为油 井抽油机供电田。2009年，太阳能加热集输工艺技术应用于中国淮建油田，使用太阳能为储油罐 加热保温。太阳能集热板面积为150 nl）系统采用EJ 100-8X型全铜热管式真空平 板集热器，并采用RXY-J T-18/3型号电热棒辅助加热邯。GlassPoint公司致力于太阳能采油技术的研发和应用。目前已成功研发出一套光 热系统，在温室内组建轻质聚光镜组吸收太阳能，将太阳能加热产生的蒸汽注入地 下岩层，提高油田的采收率。GlassPoint试验工厂2011年在加州科恩县竣工，在 占地面积一英亩的温室里放满太阳能聚光镜，可生产250300的蒸汽。11华中科技大学硕士学位论文1.4本文研究内容本文主要围绕槽式太阳能集热系统展开研究，分析槽式太阳能集热器及太阳能 集热场的光热性能及其在石油工业中的应用，并针对槽式太阳能集热系统搭建了实 验台架。主要内容如下：第二章通过研究日地天文关系，建立了太阳直接辐射量的计算模型，分析了影 响集热器光学效率的主要因素，建立了光学效率的计算:模型。第三章通过研究太阳能真空管换热过程建立了集热管换热模型，在此基础上建 立槽式太阳集热场的集热效率计算模型、集热场布局计算模型。第四章研究了槽式太阳能集热系统在油田采油工业中应用，通过分析某油田蒸 汽负荷，设计了不同蒸汽品质要求工况下的集热场参数，并通过一系列的计算和对 比，研究了蒸汽参数和集热场规模关系、不同方案蒸发量关系和不同蓄热时长的产 蒸汽状况；第五章为验证前三章中模型的精确性，建立了集热面积为154的槽式太阳能集 热实验系统，陈述了槽式太阳能集热实验系统的基本原理和实验系统本体构成和搭 建过程。12华中科技大学硕士学位论文2槽式太阳能集热器光学系统建模及计算2.1 太阳辐射相关的基本概念和参数2.1.1 太阳辐射太阳辐射的波谱包括紫外线、可见光、红外线，其中主要的辐射能位于0.33 微米，约占总辐射能的97%。到达地球表面上的太阳辐射能会受日地运动规律和天 气因素的影响。入射到地面的太阳辐射可分为直接辐射和散射辐射。1）直接辐射直接来自太阳，未改变方向，即未经反射和散射的太阳辐射称为直接太阳辐射,聚光式太阳能装置只可利用直接辐射。直接辐射可由直接辐射表来测量。2）散射辐射受散射影响而改变方向的太阳辐射为散射辐射。一般的散射因素为云层、灰尘 颗粒、水汽等。3）总辐射太阳总辐射为直接辐射加上散射辐射，可用总辐射表来测量。2.1.2 日地天文规律贯穿地球与南北极相连的线为地轴。地球除了围绕地轴自转外，还在椭圆形轨 道围绕太阳公转。地球自转轴与公转轨道平面（黄道平面）的夹角为66。33，故赤道 平面和黄道平面的夹角为23。27。日地相对运行示意图见图2-1 o13华中科技大学硕士学位论文