报告内容

研究作者与发表信息

本文由 Roba Tarek Abdelfatah, Irene S. Fahim 和 Mohamed Mahran Kasem 等学者完成，并以“Investigative Review of Design Techniques of Parabolic Trough Solar Collectors”为题，于 2024 年 3 月 21 日发表在 echt PressScience 旗下的《Frontiers in Heat and Mass Transfer》期刊中（DOI: 10.32604/fhmt.2023.044706）。研究主要机构为埃及尼罗大学的智能工程系统研究中心（Smart Engineering Systems Research Center, SESC）。

研究背景

本论文主要研究领域为太阳能热能技术，特别是抛物槽式太阳能集热器（Parabolic Trough Solar Collectors, PTCs）的设计方法与性能优化问题。作为最具成本效益的太阳能热技术之一，PTCs 广泛应用于进料加热器、锅炉、蒸汽发生器以及发电设备中。然而，由于PTCs的复杂配置、解决方法的多样性以及性能参差不齐的数学模型，选择合适的设计方法始终是一个具有挑战性的问题。

研究的目标是：
1. 系统评估和比较PTCs的各种配置与解决方法。
2. 优化现有设计方法，最大化其优点并最小化缺点。
3. 提出一种更精确预测出口温度的新方法。

研究流程与方法

本文分为多个部分，系统分析了PTCs的各个关键技术因素，包括结构配置、太阳能追踪系统、反射镜、吸热器、工作流体的选择，并且探讨了不同数学建模与分析方法，最终提出了一种改进型的数学模型用于提升PTC性能。

1. PTCs的基本组成与演变

PTCs包括四个核心部分：反射器（parabolic reflector）、吸热管（receiver tube）、支撑结构（supporting structure）及太阳能追踪系统（solar tracking system）。作者回顾了PTCs自1911年首次被发明以来的历史发展，详细叙述了反射器、吸热器和支撑结构等技术演变历程，并列出近年来的典型设计，如扭矩管（Torque Tube）、空间框架（Space Frame）、空间管设计（Space Tube）等结构的优缺点。

2. PTCs的太阳能追踪系统

追踪系统用于控制PTCs反射镜随太阳角度变化以实现最佳效率。本文详细回溯了从最早的齿轮追踪装置，到1979年的液压追踪装置，再到近年来基于人工智能（AI）的高精度图像处理系统的发展历程。现代追踪系统，如使用自适应神经模糊推理系统，可极大提高PTC性能。

3. 反射镜、吸热器与工作流体的选择

• 反射镜：回顾了玻璃和非玻璃基底材质的使用特点，如银、铝涂层镜面的反射率和耐腐蚀性能，并讨论了多种保护性涂层的优缺点。
• 吸热器：吸热器是PTC的核心部件，其光学与热性能对电厂输出效率至关重要；常见材料为低辐射率高吸收率的不锈钢。
• 工作流体：工作流体分为常规热传导流体和添加了纳米颗粒的改性流体，后者因热物理性能的增强在高效热传导中表现优异。

4. 数学模型与方法分析

论文总结了多种数学模型，包括光学分析、热分析及流体动力学建模。具体来看： - 光学分析方法：包括解析法、蒙特卡罗光线追踪法（Monte Carlo Ray Tracing, MCRT）和通量测量法。 - 热分析模型：构建了多种从常规到改进的模型（如3方程模型、6方程模型、2相流动模型等），依据热损失、吸热流体流动及传热性能等参数校验模型准确性。 - 提出的新模型：基于以往模型的优缺点优化，结合了精确的光学模型、区域特定的太阳能计算以及出口温度估算的新方法。新模型包含多步迭代过程，通过 MATLAB 建立数学模拟工作流程。

研究主要结果

通过流程化分析，本研究通过实验数据的对比准确验证了总结的数学模型及新方法。

1. 不同模型的误差对比：

   • Model I：虽然光学效率预测误差仅为0.08%，但热效率随着输入温度的升高误差显著增加。
   • Model II 和 Model III：表现出与实验数据的一致性，最大温度误差分别为3%和4%。
   • 新提出模型：相比已有模型，新模型的最大温度误差为4.7%，并在热效率的估算中取得最佳结果，与实验数据的匹配度最高。

2. 新模型的突出表现：

   • 在输入空气温度为375.35 K的实验条件下，预测出口温度为378.98 K，而实验值为397.55 K。与实际数据的误差显著降低。
   • 展现出比其他模型更强的适应性与预测能力。

3. 关键行为与趋势总结：

   • 在吸热器内壁添加多孔介质、内壁设计微槽等增强了吸热与传热性能。
   • 人工智能及动态模拟技术在未来太阳追踪与光学计算中有显著潜力。
   • 纳米流体的应用在提升传热与流体稳定性方面具有重要意义。

研究结论与意义

1. 本文系统综述了PTCs历史发展、配置选择与现代设计中的关键问题，并提出一种显著提高PTCs效率的新数学模型。
2. 作者的新方法通过优化组件结构、改进算法和建模流程，实现了更高的光学与热效率。
3. 研究对于未来设计低成本、高性能的PTCs具有直接指导意义，可为太阳能热利用技术的发展提供理论与数据支持。论文还呼吁建立针对多级PTCs和其他太阳能聚光系统的数学建模研究。

研究亮点

本研究的亮点包括： 1. 提出了一种创新性的数学建模方法，通过整合以往研究的优势并弥补其不足，显著提升预测精度。 2. 系统回顾PTC设计中的核心技术环节及演化过程，突出结构优化对性能与成本的影响。 3. 应用纳米流体与多孔介质等新材料的技术潜力，展望了未来关键部件改进方向。

研究的价值与展望

本研究不仅对PTCs在学术界的继续研究提供了重要参考，同时还推动了其在工业化发电、供暖与蒸汽发生中的应用发展。未来的研究应关注多级太阳能聚光系统的优化建模以及基于AI强化的追踪算法，以进一步降低系统成本并提高资源利用效率。