环腔流道太阳能空气吸热器的光-热转换特性研究北大核心CSCD

吸热器是太阳能聚光热利用系统中光-热能量转换的核心部件,文章针对一种简单结构的环腔流道吸热器,采用光线跟踪方法和计算流体力学方法实现光热耦合,建立了含石英窗环腔流道空气吸热器的耦合传热数值模型,探讨了碟式聚光器焦距、太阳直接辐射强度、质量流量、入口温度以及能流分布形式(非均匀与均匀能流分布)对光热转换性能的影响。研究表明:吸热器热效率和出口温度受焦距影响不大,但壁面峰值温度随焦距增大而急剧上升;热效率与质量流量呈正相关而与太阳直接辐射强度(Direct Normal Irradiance,DNI)呈负相关,出口温度反之,当DNI=800 W/m^(2),质量流量m=0.0166 kg/s时,吸热器综合热性能最优,热效率和出口温度分别为74.70%和478.74 K;出口温度受入口温度直接影响以几乎相同的差值变化,入口温度每升高50 K,热效率下降7.3%左右,该吸热器结构适用于中低温空气;能流分布均匀与否对出口温度及热效率影响不大,均匀能流分布下的吸热器壁面峰值温度反而略高于非均匀能流分布的。     

结构参数对圆柱孔簇腔式吸热器光学性能的影响研究

文章基于SolidWorks软件建立了圆柱孔簇腔式吸热器的物理、光学模型,然后利用Optisworks软件对该吸热器内壁的能流分布情况进行仿真,最后根据模拟结果研究了圆柱孔簇的结构参数对该吸热器的光学效率及其内壁能流分布情况的影响。分析结果表明:圆柱孔长度是吸热器内壁能流峰值的主要决定因素,圆柱孔长度对吸热器的光学效率无显著影响;吸热器内壁能流随着圆柱孔间距的增大而逐渐减小;吸热器中心圆柱孔内壁能流随着圆柱孔半径的增大而增大,吸热器第二层圆柱孔内壁能流随着圆柱孔半径的增大而减小;吸热器的光学效率随着圆柱孔间距的增大而减小,随着圆柱孔半径的增大而增大。     

吸热器二次反射锥对太阳能斯特林热机吸热性能的影响研究

分析太阳能斯特林热机腔式吸热器的结构特点,建立以二次反射锥结构参数为变量的腔式吸热器性能参数模型。以38 kW碟式太阳能斯特林热机为研究对象,采用光线追迹法模拟分析不同二次反射锥结构对腔式吸热器表面能流等性能参数的影响。结果表明:二次反射锥对吸热器表面能流密度分布和光能利用效率有着重要影响,其中外抛物面、双曲面、球面等反射锥能显著提高吸热器表面能流分布的均匀性,同时吸热器表面光能利用率分别提高25.6%、27.3%和28.6%,但存在光线溢出吸热器表面的现象;平顶圆锥和现有38 kW热机所采用的内抛物面二次反射锥虽不能改善吸热器表面能流分布均匀性,但光能利用率能分别提高30.5%和33.0%且无光线溢出。     

可实现均匀能流分布的太阳能碟式/三角形腔体接收系统的光学特性研究

提出一种三角形腔体接收器应用到抛物碟式聚光系统,实现腔体接收器底部吸热器表面的能流均匀化。基于OptisWorks光学软件研究三角形腔体接收器的截面尺寸、腔体高度、腔体侧壁面的反射特征(镜面反射或漫反射)和反射率等对其光学性能的影响。光学性能指标包括腔体接收器的光学效率、吸热器表面的能流非均匀因子及其接收的总太阳辐射能。分析聚光器的扇形缺角、正方形聚光器和跟踪误差,以及三角形截面和腔体底部的裁剪对接收器光学性能的影响。结果表明,腔体接收器的壁面反射特征和反射率对其光学性能影响显著,提高腔体侧壁面的反射率和选择镜面反射材料能使吸热器获得更多的太阳辐射能。在腔体截面尺寸和壁面反射特征一定时,总存在一个较佳的腔体高度使吸热器表面的能流非均匀因子减小到0.1以下。此外,将三角形腔体裁剪成六边形或正六边形截面时也能获得均匀的能流分布。该文研究为吸热器表面能流均匀化提供了一种新的解决方案,可应用于碟式聚光集热和碟式聚光光伏领域。     

周向非均匀热流下太阳能吸热管局部传热特性

利用数值模拟方法研究周向非均匀热流下太阳能吸热管局部传热特性,分析吸热管壁厚、熔盐入口温度、熔盐流速对局部传热性能的影响规律,结果表明:吸热管周向加热量相同,管壁越厚其外壁温度越高,管内壁热流分布越均匀。壁厚对低热流侧周向及轴向局部Nu影响较大,且低热流侧局部Nu均随壁厚的减小而增大。同一流速,熔盐入口温度越高,周向局部Nu越大。不同流速吸热管周向局部Nu均随周向热流的减小而增大,流速越大,周向局部Nu越大。不同壁厚吸热管内低热流侧Nu明显大于高热流侧Nu,平均Nu略大于高热流侧Nu,且平均Nu基本相等。     

新型太阳能聚焦器焦面能流分布仿真

考虑太阳光不平行度,应用蒙特卡洛光线跟踪法及光线的镜面反射定律,并采用数值模拟的方法分析了焦面位置误差、指向误差等对一种新型展开式太阳能聚焦器焦面光斑形状及能流分布的影响。结果表明:焦面位置误差绝对值越大,焦面光斑半径越大,焦面能流峰值越小;焦面误差绝对值相同时,焦面光斑形状及能流分布几乎一样;指向误差越大,光斑越偏离焦面中心,并且光斑由圆形逐渐演变成椭圆形,光斑长短径之比越大。结论可以为该新型空间太阳能聚焦吸热系统的设计提供参考依据。     

凹形球面石英窗对碟式系统腔体吸热器光学性能的影响

吸热器表面非均匀且高强能流载荷会降低其工作效率、安全性和服役寿命。提出一种凹形球面石英窗用于太阳能碟式聚光系统的腔体吸热器,可改善吸热器的能流均匀性、降低最大局部聚光比等光学性能指标。基于蒙特卡洛光线追迹法,考虑腔体吸热器由等开口、等面积和等高度三者共同约束,研究圆柱形、圆台形、圆柱-圆台形和球形4种腔体结构吸热器的光学性能。研究表明:采用平面石英窗时4种腔体结构吸热器的非均匀系数分别为0.60、0.86、0.70和0.74,最大局部聚光比分别为1050.0、1350.0、1190.0和1080.0;而采用凹形球面石英窗时4种腔体结构吸热器光学效率和采用平面石英窗时基本相同,但吸热器的非均匀系数分别下降到0.36、0.62、0.54和0.60,最大局部聚光比分别下降到743.7、922.2、916.5和1000.4,采用凹形球面石英窗比平面石英窗对各吸热器的光学性能均有明显提高,且其中圆柱形腔体吸热器比另外3种结构吸热器具有更好的光学性能。     

非均匀热流下球形腔式吸热器热性能的数值研究

建立了球形腔式吸热器三维模型;以基于蒙特卡罗光线追迹法(MCRT)进行光学模拟得到的能流分布,作为吸热管壁的热边界条件;通过数值模拟研究球形吸热器的耦合传热问题;探讨吸热流体入口参数对热性能的影响。研究表明:吸热管壁的辐射能流密度分布不均匀;在相同条件下,下入口吸热器的热性能优于上入口吸热器;在吸热流体的入口速度为0.2~0.4 m/s,提高流速可明显增大吸热器热效率,入口速度大于0.6 m/s时,热效率的增大速率变得平缓;随入口温度升高,热效率几乎呈线性下降。基于非均匀热流边界条件下的吸热器三维数值模拟结果更符合实际情况,为吸热器的优化设计与推广应用提供依据和参考。     

球形腔式太阳能吸热器性能的数值研究

利用蒙特卡洛光线追踪法分析了6种不同开口比(D/d)的球形腔式吸热器的光学性能,并以光学模拟所得壁面能流作为热分析的边界条件导入CFD软件中,运用CFD软件对6种不同开口比的球形腔式吸热器进行流固耦合传热计算,获得了球形腔式吸热器和内部流体的温度场分布。通过计算球形腔式吸热器的反射光损失、对流热损失和热辐射损失,得到聚光器/球形腔式吸热器系统的光热转化效率为81.9%～84.4%,球形腔式吸热器的最佳开口比1相似文献   

塔式外置式吸热器多区域涂层优化与性能分析

为减少塔式太阳能吸热器在高温下快速增加的辐射热损,基于聚光太阳辐射的空间分布不均匀特性,提出并优化一种在吸热器表面不同入射能流区域采用不同光谱选择性吸收涂层的多区域涂层设计方法,并与均一选择性吸收涂层和传统灰体涂层吸热器进行热损性能、全天适应性和全年性能的对比分析。结果表明：在中国帕里地区,吸热器进口温度为290 ℃、出口温度为800 ℃的条件下,多区域涂层对比传统灰体涂层和均一选择性吸收涂层吸热器在典型日12月21日中的辐射热损分别降低89.8%和75.7%,总热损分别降低63.9%和38.5%;全年光热转换效率可分别提升8.1%和2.4%。     

金属管式承压空气吸热器实验研究

对内径为6 mm,壁厚为2 mm的太阳能热发电用金属管式承压空气吸热器的热性能进行了实验研究,分析了太阳法向直接辐照度(DNI),金属管式承压空气吸热器内空气质量流量对该吸热器出口空气温度的影响。实验结果表明:在空气质量流量相同的条件下,DNI越高,金属管式承压空气吸热器出口空气温度越高,该吸热器获得的热功率越大,吸热器内空气粘性越高,吸热器内空气压力损失也越大;随着金属管式承压空气吸热器内空气质量流量逐渐减小,该吸热器出口空气温度逐渐升高;随着金属管式承压空气吸热器内空气质量流量逐渐增大,该吸热器内空气压力损失逐渐增大;金属管式承压空气吸热器热效率受DNI和空气质量流量的综合作用,且该吸热器热效率的最大值出现在DNI较低处;当金属管式承压空气吸热器内空气压力损失较大时,应增大吸热管的管径或缩小吸热管单管的管长。     

变热负荷下蒸发面流量分配的试验与模拟研究

塔式太阳能热发电系统中,由于定日镜场的聚焦作用使得腔式吸热器受热面局部区域热负荷高度集中且随时间和空间不断变化导致吸热器系统工质流量分配特性恶化。该文以吸热器蒸发受热面水动力特性的试验平台为研究对象,结合吸热器内辐射-对流的能量传递过程,建立受热管内工质流动换热计算模型,在此基础上建立非均匀热负荷分布条件下腔式吸热器水动力计算的非线性数学模型,得出不同工况下蒸发受热面内工质的流量分配规律。     

考虑环境风时碟式太阳能热发电系统用腔式吸热器的热性能模拟

吸热器是碟式太阳能热发电系统中集热系统的关键部件，为了探究环境因素对吸热器热性能的影响，利用光线追踪和数值计算的方法，在考虑环境风的情况下，对腔式吸热器进行了不同工况时的热性能模拟，讨论分析了太阳高度角、环境风风向、风速及传热工质进口状态对腔式吸热器热性能的影响。结果表明：太阳高度角越小，腔式吸热器对流热损失越大；随着环境风风向角的增大，无论风速如何，腔式吸热器的热损失都呈现先减小后增大的趋势，当风向角为135°时的热损失最小，风向角小于45°时的热损失较大；任何风向下，腔式吸热器的热损失都随着环境风风速的增大而增大，且在0°和45°风向角下，腔式吸热器对于风速变化较为敏感；传热工质进口流量的增加会提升腔式吸热器的热性能，进口温度的提高则会降低腔式吸热器的热性能，且对其影响的规律呈线性。     

汇聚太阳能流体流速对吸热器温度场和应力场影响

为研究高汇聚太阳能流体流速对管式吸热器的温度场、热应变及热应力场的影响,本文采用蒙特卡洛与有限单元相结合的光热力顺序解耦计算法分析了不同流速下管式吸热器的温度场、热应变及热应力场的分布。计算结果表明管式吸热器的温度场、热应变及等效热应力均随着流体流速的增加而降低。与轴向热应力和径向热应力相比,切向热应力对管式吸热器的等效热应力的贡献比例更大,均匀化温度沿管式吸热器的圆周方向分布是热应力抑制的有效手段之一。     

基于分布参数模型的塔式熔盐吸热器换热过程动态特性研究

文章以塔式太阳能热发电站中的圆柱形外露管式吸热器为研究对象,利用分布参数方法建立了对流-辐射传热吸热器的非稳态传热模型。基于此模型,分别研究了当辐射热流密度、熔盐流量、熔盐进口温度和环境风速等参数发生阶跃变化时,圆柱形外露管式吸热器的动态特性。研究结果表明:当上述参数发生阶跃变化时,熔盐出口温度的动态变化过程存在不同的时间常数;辐射热流密度、熔盐进口温度和熔盐流量是影响熔盐出口温度的主要因素,瞬时风对熔盐出口温度影响较小。     

一种新型腔式吸热器的设计与实验研究

根据碟式聚光镜聚光后的焦平面处辐射能能流分布图以及关键尺寸对各种热量损失的影响，设计出一种新型高效腔式吸热器，专门用于太阳能中高温热利用与热发电。利用数学模型模拟出吸热器的热效率，并运用实验手段加以论证。计算与实验结果表明，该吸热器热效率在内部壁面温度达到400℃，热效率能达到85％以上，且工作性能稳定，完全达到预期的设计要求。     

非均匀热流密度下槽式集热器吸热管热应力分析

为了分析槽式集热器吸热管的热力性能及其对集热系统安全运行的影响,以LS-2型集热器为研究对象,通过有限元数值模拟方法对槽式集热器吸热管进行热-结构耦合分析。结果表明:吸热管管壁最大温度位于出口处下端(抛物面反射镜反射光线照射区域),吸热管管壁最小温度位于入口处上端(太阳辐照直射区域);太阳直射辐照强度(400～900 W/m~2)越大,工质入口温度(50～300℃)越低,入口流速(1.0～3.5 m/s)越慢,对吸热管的热变形量和热应力影响越大。在集热器实际运行中,当太阳直射辐照强度较高时,工质入口温度和入口流速不能选取太低,否则会造成吸热管热应力增加,影响集热器的使用寿命。     

塔式太阳能熔盐吸热器运行特性与策略优化

该文研究太阳光照条件、环境温度、风速、风向等因素对塔式太阳能热发电熔盐吸热器整体热效率和散热损失的影响规律,讨论吸热器的运行策略及其对系统效率的影响.吸热器的运行受风速和入射能量的影响较大,受风向和环境温度的影响较小.额定出口温度模式下,当风速超过7m/s时,对流散热损失超过辐射散热损失.风速对吸热器局部对流散热损失的...     

超临界CO2太阳能吸热器许用能流密度研究

以单根太阳能吸热管为对象,利用ANSYS计算管壁的温度场和应力应变,并采用ASME BPVC III NH方法进行蠕变-疲劳分析。研究表明,在周向非均匀能流作用下,受照面顶部因为局部高温而膨胀受阻,产生明显应变。分析质量流量的增大和管内径的减小对增大许用能流密度的显著程度。     

多孔介质太阳能吸热器性能分析

采用4种多孔骨架中辐射传输模型,包括:忽略多孔骨架内部辐射模型(模型A)、Rosseland模型(模型B)、均匀内热源模型(模型C)与吸热器中辐射传输满足Beer定律的模型(模型D),推导得到了局部非热平衡条件下4种模型所对应的吸热器中多孔骨架温度、空气温度和吸热器热效率的解析解,分析了多孔骨架孔隙率、导热系数和孔隙直径对吸热器性能的影响。结果表明,对模型A和模型B,吸热器中最高温度位于吸热器进口处;对模型C,吸热器中最高温度位于吸热器出口处;而在模型D中,吸热器中吸热器内部或吸热器的出口处温度最高。吸热器效率取决于多孔骨架导热系数、孔隙率和孔隙直径等参数,当吸热器中内热源均匀分布时,吸热器效率是最高的。