中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：103531
槽式太阳能真空集热管热损失的实验研究
张业强 吴玉庭 马重芳 熊亚选
（北京工业大学 传热强化与过程节能教育部重点实验室， 传热与能源利用北京市重点实验室，北京 100124）
（联系电话：[1**********] Email：[email protected]）
摘要：真空集热管是槽式太阳能热发电系统聚光集热器的关键部件,其热损失的大小直接关系到系统的光-热效率.通过对由6根真空集热管组成的13米管道的导热油温度从105℃到313℃的11个点的热损失分析，结果表明，真空集热管的散热损失中，辐射散热占总的热损失的70%～90%；准静态平衡法测得的热损失较稳态平衡法测得的热损失大，在高温时（290℃）测得的热损失是稳态平衡法的1.18倍；同国外SCHOTT 公司的PTR70真空集热管相比，试验用真空集热管的热损失是其热损失的1.2倍左右。 关键词：槽式太阳能 真空集热管 热损失 准静态平衡法
0 前言：
槽式太阳能热发电系统是太阳能热发电系统中最成熟、商业化程度最高的发电系统。据统计，每年对太阳能热发电研究的资金有64％被用于槽式太阳能技术的研究，而只有31％的资金用研究碟式和塔式太阳能热发电技术，这预示着更大规模槽式太阳能热发电技术的商业化即将展开[1]。
槽式太阳能热发电系统主要有以下几部分组成：聚光-集热系统、换热系统、汽轮发电系统、蓄热系统和辅助能源系统，其中，聚光-集热系统是整个槽式太阳能热发电的关键部分。
真空集热管，简称集热管（HCE）, 是组成槽式太阳能聚光集热器的关键部件。集热管由一根外壁面涂有太阳选择性吸收层的外径63mm 金属吸热管和外径115mm 的玻璃管（内、外表面涂有抗反射层）组成，金属吸热管与玻璃管之间为真空环形空间。集热管将常规的玻璃－金属封和金属波纹管相结合，以实现环形空间的真空密封，弥补了金属不锈钢管和玻璃管热
膨胀系数不同造成的伸长量差。真空 图1 真空集热管的结构
空间是为了降低集热管在高温情况下的金属吸热管与玻璃套管之间的对流换热损失，防止太阳选择性吸收层被氧化。真空空间的压力应不高于Knudsen气体导热压力范围，一
－4[2]
，以尽可能减少环形空间的对流热损失。般维持在0.0001mmHg（0.013Pa，10torr）
选择性涂层喷涂到金属管的外壁面以提高金属吸热管的聚焦后的太阳辐射能，降低工作 基金项目：北京市自然科学基金重点项目（3081002）
温度下的发射率，以减少二次热辐射造成的热损失。玻璃套管内、外表面抗反射层（AR coating）用于提高太阳能辐射穿过玻璃套管时的透射率。环形空间设置吸气剂，以吸收渗入环形空间的氢气及其他气体分子。由于照射在玻璃－金属封接部位的能流密度较
[3]
高，必须对玻璃－金属封接部位进行保护，避免直接或间接的辐射光束。
1 实验流程
本实验以北京工业大学强化传热
与过程节能教育部
重点实验室搭建的槽式太阳能聚光集
热系统为试验平台，
采用准静态平衡法测量真空集热管的热损失。 实验研究流程如图2所示。导热油
从循环泵出口经由导热油加热器进行加热，使加热器出口
处导热油温恒定在
一特定温度，然后导热油进入真空集热
管散热。导热油罐起
到消除导热油热胀
冷缩的体积变化，并 图2 实验流程图
通过氮气压力来稳定。整个系统的压力通过真空集热管的导热油的流速通过两种方式来调整，一是通过泵的变频调整流量，一是通过连通到导热油罐的旁路上的自动流量控制阀进行调整。在导热油进入真空集热管前测定其质量流量，并在真空集热管的进出口位置布置温度测点，用来测定导热油在集热管进出口的温度变化。
本次实验测试的是由六根真空集热管焊接的长12.15米的一组管道，每两根集热管之间由长45mm 的不锈钢管连接。质量流量测量仪布置在水平管段上，保证测量要求。在真空集热管的进出口分布三个测温点，采用热电阻为温度传感器。
实验测量温度从105℃到313℃，每隔20～25℃设定一个工况点，共设定11个工况点。为了消除白天太阳辐射对实验的影响，我们选择在晴朗的夜间进行实验，实验时风速不大于5m/s。
在实验过程中，首先开启主循环管道的阀门，开启循环泵驱动导热油在管内循环流动；开启导热油罐内的加热系统，将膨胀罐内的导热油温度（铠装热电阻测量）稳定到略低于试验需要的温度；然后，调节自动控制阀，使流量计FM 的显示流量稳定到试验设定的流量，同时开启导热油加热器，使导热油在真空集热管进口处的温度稳定到实验需要的温度；然后让系统稳定循环（至少稳定运行1个小时），直到完成该阶段的实验。
2 误差分析[4]
测量导热油进出口温度 ±0.05℃ 测量环境温度 ±0.2℃ 测量导热油流量的质量流量计 ±0.2%
误差存在于对进出口油温的测量、环境温度的测量和质量流量的测量.计算误差采用的计算公式为：
散热损失的计算公式为:
E rss =
Q =m ×C p ×ΔT
所以误差公式为
其中
E Q =E m : 质量流量的系统误差 E ΔT ：ΔT 的测量误差
∂Q /∂m ：C ρ×ΔT
∂Q /∂ΔT ：m ×C ρ
3 实验结果分析
总的热损失主要由以下几部分组成：真空集热管的散热（金属吸热管的热辐射和玻璃外护管的对流散热）、波纹管及玻璃-金属封的散热、连接真空集热管之间的不锈钢管的散热、测温点到真空集热管间的不锈钢管的散热。实验结果及热损失计算如下表： 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
导热油温度 环境温度 (℃) (℃) 105.34 125.41 145.52 169.85 190.11 209.82 229.19 252.36 272.01 293.25 312.86
22.64 21.91 21.42 20.15 20.01 19.22 18.39 20.06 19.11 20.05 22.06
玻璃外护管
表面温度 (℃) 25.07 25.42 26.19 28.43 30.85 33.92 36.37 40.38 43.96 48.04 51.12
保温层 表面温度 (℃) 25.54 24.91 26.12 27.35 30.68 31.06 32.31 41.33 46.67 58.67 71.58
热损失 (W/m) 26.11 31.79 43.96 53.29 76.37 88.93 106.03 123.70 139.92 165.47 181.54
误差 (W/m) ±14.54 ±15.01 ±15.48 ±13.73 ±14.35 ±14.61 ±14.90 ±17.42 ±16.21 ±19.94 ±20.04
图3 热损失变化趋势
通过以上图表可以看出，真空集热管的热损失随着导热油的温度的升高而迅速增大，玻璃外护管外表面的温度随着流体温度的上升而快速上升，其对流散热量也快速上升，从占总热损失的7.38%上升到23.52%；由于不锈钢管和波纹管采取了保温措施且长度很短，所以虽然其温度升高很多但是对流散热损失所占总热损失的比重很小，从占总热损失的1.20%到5.94%。
[5]
所测得热损失与采用稳态传热平衡法时所测得的该类型真空集热管的热损失的比较如图4。所测得热损失与Schott 公司PTR70真空集热管的热损失[4]的比较如图5
。
图4 准静态平衡法与稳态平衡法测得的热损失的比较
图5 与Schott 公司PTR70真空集热管的热损失的比较
从图4不难看出，准静态平衡法测得的热损失较稳态平衡法测得的热损失大，当导热油与环境的温差为83.3℃时，稳态平衡法测得的热损失为15.38W/m，准静态平衡法测得的热损失为26.11W/m；当导热油与环境的温差为290.8℃时，稳态平衡法测得的热损失为153.43W/m，准静态平衡法测得的热损失为181.54W/m，是稳态平衡法的1.18倍。主要是由于：1、稳态平衡法没有考虑真空集热管两端的热损失；2、测量真空集热管的吸热管的内壁面的测温元件的安装位置很难保持一致，导致测温误差较大。
通过同国外Schott 公司的PTR70真空集热管的热损失相比较，在相近温差条件下的热损失相差不大，PTR70真空集热管在98℃时的热损失为26.9W/m，146.6℃时的热损失为46.4W/m，295.2℃时的热损失为148.85W/m，而试验用真空集热管的相近温度条件下热损失分别为31.79 W/m，53.29 W/m，181.54 W/m，是LS-2真空集热管热损失的1.2倍左右。
4 结论：
本文通过对真空集热管的热损的实验研究，得到如下结论：
1、 真空集热管的散热损失中，辐射散热占到总的热损失的70%～90%；
2、 准静态平衡法测得的热损失较稳态平衡法测得的热损失大，在高温时（290℃）测得的热损失是稳态平衡法的1.18倍。
3、 同国外SCHOTT 公司的PTR70真空集热管相比，试验用真空集热管的热损失是其热损失的1.2倍左右。
参考文献：
[1] Kfw Bankengrup. Hochtemperatur solarthermische Stromerzeugung [R]. Frankfurt ，
Germany.2004
[2] Dudley, V. E., Kolb, G. J., Mahoney, A. R. Test Results: SEGS LS-2 Solar Collector. SNL,
Albuquerque, NM. 1994
[3] Mahoney, A., Burchett, S., Reed, S., Snidow, R. Finite Element Analysis of Stainless
Steel—Pyrex Housekeeper Glass-to-Metal Seals. SNL, Albuquerque, NM.2002
[4] Timothy A.Moss, Doug A.Brosseau. Final Test Results for the Schott HCE on a LS-2
Collector. SANDIA REPROT,July 2005
[5] 熊亚选.槽式太阳能聚光集热技术的研究与开发:[博士论文].北京:北京工业大学.2010年
槽式太阳能真空集热管热损失的实验研究
作者：作者单位：
张业强， 吴玉庭， 马重芳， 熊亚选
北京工业大学,传热强化与过程节能教育部重点实验室,传热与能源利用北京市重点实验室,北京,100124
本文读者也读过(4条)
1. 熊亚选. 吴玉庭. 马重芳. 张业强 槽式太阳能聚光器试验研究[会议论文]-20102. 周小雯. 董光军. 殷志强. 郑世民 真空太阳集热管内的残余气体[会议论文]-20033. 熊亚选 槽式太阳能聚光器试验研究[会议论文]-2010
4. 王军. 龚广杰. 黄鑫炎. 郝梦龙. Wang Jun. Gong Guangjie. Huang Xinyan. Hao Menglong 残存气体对高温真空集热管热损失的影响研究[期刊论文]-太阳能学报2010,32(1)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_7468414.aspx
中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：103531
槽式太阳能真空集热管热损失的实验研究
张业强 吴玉庭 马重芳 熊亚选
（北京工业大学 传热强化与过程节能教育部重点实验室， 传热与能源利用北京市重点实验室，北京 100124）
（联系电话：[1**********] Email：[email protected]）
摘要：真空集热管是槽式太阳能热发电系统聚光集热器的关键部件,其热损失的大小直接关系到系统的光-热效率.通过对由6根真空集热管组成的13米管道的导热油温度从105℃到313℃的11个点的热损失分析，结果表明，真空集热管的散热损失中，辐射散热占总的热损失的70%～90%；准静态平衡法测得的热损失较稳态平衡法测得的热损失大，在高温时（290℃）测得的热损失是稳态平衡法的1.18倍；同国外SCHOTT 公司的PTR70真空集热管相比，试验用真空集热管的热损失是其热损失的1.2倍左右。 关键词：槽式太阳能 真空集热管 热损失 准静态平衡法
0 前言：
槽式太阳能热发电系统是太阳能热发电系统中最成熟、商业化程度最高的发电系统。据统计，每年对太阳能热发电研究的资金有64％被用于槽式太阳能技术的研究，而只有31％的资金用研究碟式和塔式太阳能热发电技术，这预示着更大规模槽式太阳能热发电技术的商业化即将展开[1]。
槽式太阳能热发电系统主要有以下几部分组成：聚光-集热系统、换热系统、汽轮发电系统、蓄热系统和辅助能源系统，其中，聚光-集热系统是整个槽式太阳能热发电的关键部分。
真空集热管，简称集热管（HCE）, 是组成槽式太阳能聚光集热器的关键部件。集热管由一根外壁面涂有太阳选择性吸收层的外径63mm 金属吸热管和外径115mm 的玻璃管（内、外表面涂有抗反射层）组成，金属吸热管与玻璃管之间为真空环形空间。集热管将常规的玻璃－金属封和金属波纹管相结合，以实现环形空间的真空密封，弥补了金属不锈钢管和玻璃管热
膨胀系数不同造成的伸长量差。真空 图1 真空集热管的结构
空间是为了降低集热管在高温情况下的金属吸热管与玻璃套管之间的对流换热损失，防止太阳选择性吸收层被氧化。真空空间的压力应不高于Knudsen气体导热压力范围，一
－4[2]
，以尽可能减少环形空间的对流热损失。般维持在0.0001mmHg（0.013Pa，10torr）
选择性涂层喷涂到金属管的外壁面以提高金属吸热管的聚焦后的太阳辐射能，降低工作 基金项目：北京市自然科学基金重点项目（3081002）
温度下的发射率，以减少二次热辐射造成的热损失。玻璃套管内、外表面抗反射层（AR coating）用于提高太阳能辐射穿过玻璃套管时的透射率。环形空间设置吸气剂，以吸收渗入环形空间的氢气及其他气体分子。由于照射在玻璃－金属封接部位的能流密度较
[3]
高，必须对玻璃－金属封接部位进行保护，避免直接或间接的辐射光束。
1 实验流程
本实验以北京工业大学强化传热
与过程节能教育部
重点实验室搭建的槽式太阳能聚光集
热系统为试验平台，
采用准静态平衡法测量真空集热管的热损失。 实验研究流程如图2所示。导热油
从循环泵出口经由导热油加热器进行加热，使加热器出口
处导热油温恒定在
一特定温度，然后导热油进入真空集热
管散热。导热油罐起
到消除导热油热胀
冷缩的体积变化，并 图2 实验流程图
通过氮气压力来稳定。整个系统的压力通过真空集热管的导热油的流速通过两种方式来调整，一是通过泵的变频调整流量，一是通过连通到导热油罐的旁路上的自动流量控制阀进行调整。在导热油进入真空集热管前测定其质量流量，并在真空集热管的进出口位置布置温度测点，用来测定导热油在集热管进出口的温度变化。
本次实验测试的是由六根真空集热管焊接的长12.15米的一组管道，每两根集热管之间由长45mm 的不锈钢管连接。质量流量测量仪布置在水平管段上，保证测量要求。在真空集热管的进出口分布三个测温点，采用热电阻为温度传感器。
实验测量温度从105℃到313℃，每隔20～25℃设定一个工况点，共设定11个工况点。为了消除白天太阳辐射对实验的影响，我们选择在晴朗的夜间进行实验，实验时风速不大于5m/s。
在实验过程中，首先开启主循环管道的阀门，开启循环泵驱动导热油在管内循环流动；开启导热油罐内的加热系统，将膨胀罐内的导热油温度（铠装热电阻测量）稳定到略低于试验需要的温度；然后，调节自动控制阀，使流量计FM 的显示流量稳定到试验设定的流量，同时开启导热油加热器，使导热油在真空集热管进口处的温度稳定到实验需要的温度；然后让系统稳定循环（至少稳定运行1个小时），直到完成该阶段的实验。
2 误差分析[4]
测量导热油进出口温度 ±0.05℃ 测量环境温度 ±0.2℃ 测量导热油流量的质量流量计 ±0.2%
误差存在于对进出口油温的测量、环境温度的测量和质量流量的测量.计算误差采用的计算公式为：
散热损失的计算公式为:
E rss =
Q =m ×C p ×ΔT
所以误差公式为
其中
E Q =E m : 质量流量的系统误差 E ΔT ：ΔT 的测量误差
∂Q /∂m ：C ρ×ΔT
∂Q /∂ΔT ：m ×C ρ
3 实验结果分析
总的热损失主要由以下几部分组成：真空集热管的散热（金属吸热管的热辐射和玻璃外护管的对流散热）、波纹管及玻璃-金属封的散热、连接真空集热管之间的不锈钢管的散热、测温点到真空集热管间的不锈钢管的散热。实验结果及热损失计算如下表： 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
导热油温度 环境温度 (℃) (℃) 105.34 125.41 145.52 169.85 190.11 209.82 229.19 252.36 272.01 293.25 312.86
22.64 21.91 21.42 20.15 20.01 19.22 18.39 20.06 19.11 20.05 22.06
玻璃外护管
表面温度 (℃) 25.07 25.42 26.19 28.43 30.85 33.92 36.37 40.38 43.96 48.04 51.12
保温层 表面温度 (℃) 25.54 24.91 26.12 27.35 30.68 31.06 32.31 41.33 46.67 58.67 71.58
热损失 (W/m) 26.11 31.79 43.96 53.29 76.37 88.93 106.03 123.70 139.92 165.47 181.54
误差 (W/m) ±14.54 ±15.01 ±15.48 ±13.73 ±14.35 ±14.61 ±14.90 ±17.42 ±16.21 ±19.94 ±20.04
图3 热损失变化趋势
通过以上图表可以看出，真空集热管的热损失随着导热油的温度的升高而迅速增大，玻璃外护管外表面的温度随着流体温度的上升而快速上升，其对流散热量也快速上升，从占总热损失的7.38%上升到23.52%；由于不锈钢管和波纹管采取了保温措施且长度很短，所以虽然其温度升高很多但是对流散热损失所占总热损失的比重很小，从占总热损失的1.20%到5.94%。
[5]
所测得热损失与采用稳态传热平衡法时所测得的该类型真空集热管的热损失的比较如图4。所测得热损失与Schott 公司PTR70真空集热管的热损失[4]的比较如图5
。
图4 准静态平衡法与稳态平衡法测得的热损失的比较
图5 与Schott 公司PTR70真空集热管的热损失的比较
从图4不难看出，准静态平衡法测得的热损失较稳态平衡法测得的热损失大，当导热油与环境的温差为83.3℃时，稳态平衡法测得的热损失为15.38W/m，准静态平衡法测得的热损失为26.11W/m；当导热油与环境的温差为290.8℃时，稳态平衡法测得的热损失为153.43W/m，准静态平衡法测得的热损失为181.54W/m，是稳态平衡法的1.18倍。主要是由于：1、稳态平衡法没有考虑真空集热管两端的热损失；2、测量真空集热管的吸热管的内壁面的测温元件的安装位置很难保持一致，导致测温误差较大。
通过同国外Schott 公司的PTR70真空集热管的热损失相比较，在相近温差条件下的热损失相差不大，PTR70真空集热管在98℃时的热损失为26.9W/m，146.6℃时的热损失为46.4W/m，295.2℃时的热损失为148.85W/m，而试验用真空集热管的相近温度条件下热损失分别为31.79 W/m，53.29 W/m，181.54 W/m，是LS-2真空集热管热损失的1.2倍左右。
4 结论：
本文通过对真空集热管的热损的实验研究，得到如下结论：
1、 真空集热管的散热损失中，辐射散热占到总的热损失的70%～90%；
2、 准静态平衡法测得的热损失较稳态平衡法测得的热损失大，在高温时（290℃）测得的热损失是稳态平衡法的1.18倍。
3、 同国外SCHOTT 公司的PTR70真空集热管相比，试验用真空集热管的热损失是其热损失的1.2倍左右。
参考文献：
[1] Kfw Bankengrup. Hochtemperatur solarthermische Stromerzeugung [R]. Frankfurt ，
Germany.2004
[2] Dudley, V. E., Kolb, G. J., Mahoney, A. R. Test Results: SEGS LS-2 Solar Collector. SNL,
Albuquerque, NM. 1994
[3] Mahoney, A., Burchett, S., Reed, S., Snidow, R. Finite Element Analysis of Stainless
Steel—Pyrex Housekeeper Glass-to-Metal Seals. SNL, Albuquerque, NM.2002
[4] Timothy A.Moss, Doug A.Brosseau. Final Test Results for the Schott HCE on a LS-2
Collector. SANDIA REPROT,July 2005
[5] 熊亚选.槽式太阳能聚光集热技术的研究与开发:[博士论文].北京:北京工业大学.2010年
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作者：作者单位：
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_7468414.aspx