两段式塔式太阳能腔式吸热器设计及性能分析

针对一种新型两段式塔式太阳能热发电的吸热器进行几何设计,建立了呈高斯分布热流密度的条件下吸热器辐射和对流换热以及流动模型,确定了吸热器I和吸热器II受热面蛇形管管道布置方式和几何尺寸,获得了吸热器内部不同位置受热面的热流密度分布情况.结合气液两相传热和流动特点确定了吸热器典型管道内部工质温度、干度、压降和沿管道流程的壁温分布规律.得出两段式塔式太阳能腔式吸热器几何结构的系统化设计流程,并对吸热器进行了热力性能分析.结果表明:两段式塔式太阳能腔式吸热器能够有效减小预热蒸发吸热器的几何尺寸,提高平均辐射热负荷的同时降低吸热器的平均温度,有效提高吸热器的热效率;多管程蛇形管道布置可使出口参数分布更加均匀,避免受热严重不均等安全问题.     

槽式太阳能新型腔式吸热器模拟和应用研究

对一种槽式太阳能新型腔式吸热器建立一维非稳态传热模型,搭建槽式太阳能集热器热性能实验平台,系统集热效率的模拟值与实验值的最大误差为5.36%,验证一维非稳态传热模型的准确性。根据中国太阳能资源带和建筑热工分区,选取13个典型地区进行全年集热性能分析,结果表明:各地区的年集热效率差异较小,当吸热器入口流体温度为150℃时,集热效率在45%～55%之间,但年集热量差异较大,资源丰富地区年集热量可达到资源缺乏地区的5～6倍。而同一太阳能资源带下,不同建筑热工分区的年集热量差异并不明显。     

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。     

一种基于新结构的线性腔式太阳能集热器研究

提出一种适用于槽式太阳能热发电系统的新型线性腔式集热器。通过Tracepro模拟聚光镜焦距、弧形结构及开口宽度对系统光学性能的影响;采用热网络模型对该集热器的传热性能进行参数化研究,确定优化的集热器结构为优弧型,开口宽度为70 mm,与其匹配的聚光镜焦距为2100 mm。研究结果表明,当太阳直射辐射强度为500 W/m2,集热温度为650 K时,系统光热转换效率达65.3%。与一类传统真空管集热器的对比表明,该新型线性腔式集热器的集热性能优于UVAC Cermet直通式真空管集热器。另外,该线性腔式集热器生产和维护成本明显低于真空管集热器,对于促进槽式太阳能热发电技术具有重要意义。     

聚光太阳能热发电中吸热器吸收涂层的选择

对各类聚光比的聚光太阳能热发电中的吸热器吸收涂层进行了研究,同时对耐高温太阳吸收涂层进行了高温热处理和辐射性能测试.研究表明,菲涅耳线式和抛物面槽式聚光吸热器由于聚光比较小,吸热体表面温度较低,主要采用选择性涂层以提高吸热表面温度和吸热效率;而塔式和抛物面碟式聚光吸热器由于聚光比大,吸热体表面温度较高,高温时的吸收涂层在红外波段的吸收率下降,因此主要采用高吸收率的耐高温涂料为太阳吸收涂层.     

太阳能烟囱发电装置的集热棚集热效率分析

在太阳能烟囱发电系统中,集热棚是影响其发电效率的关键部件之一.为了提高太阳能烟囱发电系统的发电效率,对系统中集热棚集热性能的各种影响因素进行了分析,模拟计算了集热棚的集热效率.     

超临界二氧化碳太阳能腔式吸热器数值模拟研究

针对太阳能碟式聚光器,设计了一种工质为超临界二氧化碳的圆台形腔式吸热器,建立了腔式吸热器的光热模型。采用蒙特卡洛光线追踪法分析了腔式吸热器的光学特性,并基于相关理论,将热边界条件导入Ansys Fluent软件中,对腔式吸热器的光学特性及流动传热特性进行了计算流体力学(CFD)仿真模拟,得到腔式吸热器内工质出口温度、工质流动压降、光学效率、热效率以及散热损失随着工质进口温度(100～200℃)和太阳光辐射强度(400～1 200 W/m²)的变化规律。结果表明：不同太阳光辐射强度下,吸热器的光学效率基本不变;太阳光辐射强度对腔式吸热器热效率的影响不明显;工质进口温度越高,吸热器的热效率越低;腔式吸热器散热损失中,自然对流散热损失最大,其次是辐射散热损失及导热散热损失。     

无吸热管球形腔式集热器的设计与数值模拟

腔式集热器是点聚焦式太阳能集热系统的核心部件。目前,大多数腔式集热器均在腔体内壁上铺设吸热管,这样会导致该腔式集热器结构复杂、热损失严重。因此文章提出了一种新型的无吸热管球形腔式集热器,并对该腔式集热器的结构参数进行设计,而后采用Trace Pro,ANSYS软件对该腔式集热器进行光学仿真和热稳态分析。研究结果表明:无吸热管球形腔式集热器可以对聚焦光线进行多次反射和均匀吸收,光吸收率大于90%;当腔体内壁温度为500℃时,该腔式集热器的热效率为57.5%,随着腔体内壁温度的逐渐降低,热效率会逐渐升高;导热腔壁的热流主要集中在工质孔处,导致工质孔处工质获取热量的效率较高。     

基于太阳能热发电系统效率的最佳运行温度

分别对汽轮机组热机效率和太阳能集热器效率进行了分析,并对热机效率进行了修正,得到了不同状况下的太阳能热发电系统效率和最优运行温度。研究表明:随着太阳辐照度、太阳能热发电系统聚光比的增加,系统效率提高,最佳集热温度升高;然而,当综合传热系数增大时,系统效率下降,最佳集热温度降低;太阳能集热器光学效率的变化,只影响系统效率,对系统的最佳集热温度影响不大。     

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。     

超临界二氧化碳太阳能腔式吸热器光热特性研究

针对太阳能碟式聚光器,设计了一种工质为超临界二氧化碳(sCO2)的圆台形腔式吸热器,建立了吸热器的光热模型。采用蒙特卡洛光线追踪法分析了腔式吸热器的光学特性,并基于腔式吸热器的相关理论将热边界条件导入Ansys Fluent软件中,对吸热器的流动传热特性进行了计算流体力学（CFD）仿真模拟。研究了工质进口温度为150 ℃、太阳光辐射强度为800 W/m2时,吸热器不同采光口直径、倾斜角和辐射发射率对其光热特性影响的规律。研究结果表明：吸热器采光口直径对其光热效率的影响较大,采光口直径增加会降低吸热器光学效率,采光口直径过大或过小都会降低吸热器的热效率;随着吸热器倾斜角的增大,采光口内部热空气和外部冷空气之间的自然对流传热明显增加;辐射发射率对吸热器热效率的影响较小。     

太阳能热动力空间发电系统的研究

以空间站电源为研究背景，对近年来国际上太阳能空间利用的研究做了回顾，重点讨论了太阳能热动力系统发电的原理和特点。太阳能热动力系统由聚能器，带相变蓄热的吸热器，电力转换设备，散热设备以及控制和电力调节设备等组成，其发电原理是闭式Brayton循环。在日照期，通过一个反射聚能器把入射太阳辐射聚集在一个空腔式吸热器内作为热源，沿吸热器圆周分布的换热管外的封壳内含有相变盐，吸收太阳能后熔化，利用其融解热加热惰性气体工质进行闭式Brayton循环(CBC)发电，同时储存能量，保证飞行器在阴影期的能量连续供应。CBC太阳能热动力系统已经达到了实用阶段，热机循环效率超过27％，系统总的电转换效率超过17％。与光伏电池系统相比，该系统有较高的能量转换效率、较长的寿命和较低的长期运行维护费用，是未来大功率空间站电源的发展方向。     

改进半球形腔式吸热器热性能数值模拟

基于计算流体力学理论建立的计算模型,运用Fluent软件对适用于碟式斯特林太阳能热发电系统5种弯度的改进半球形腔式吸热器的热性能进行了数值模拟对比分析。通过模型验证得出,采用定壁温考虑吸热器整体的热性能、应用S2S模型考虑辐射和用瞬态计算方法考虑密度项是可行的。在采光孔朝下时,随着弯度的增大,吸热器对流和辐射热损失、辐射和总努塞尔数均增大,而对流努塞尔数却减小,辐射热损失占总热损失的大部分。综合结果表明,改进半球形腔式吸热器的最佳弯度为0.4～0.5。     

基于能量流的塔式太阳能热发电吸热器动态建模

塔式太阳能热发电空气吸热器的最大热应力与其温度变化率成正比,吸热器出口空气温度的动态特性影响塔式光热系统的功率特性。结合热电比拟理论,采用对流换热系数和Rosseland辐射传递方程描述传热过程,建立塔式太阳能热发电系统中碳化硅泡沫陶瓷吸热体的能量流模型。通过剖析空气吸热器工作过程的传热特性,得出平均能流密度、吸热体厚度、平均孔径对出口空气温度、吸热体温度的影响,为该类空气吸热器的设计提供了理论依据。     

槽式太阳能新型腔式吸热器的热性能研究

提出一种适用于抛物槽集热器的新型太阳能腔式吸热器,该装置具有较高的集热效率,同时连接安装和日常运行维护也相对便利。对其建立一套三维传热模型,并搭建采用新型腔式吸热器的抛物槽集热器实验系统,通过实验测试对比吸热器瞬时效率,验证模型的准确性。此外,定量分析不同环境参数与工作参数对新型腔式吸热器热性能的影响,结果表明:集热效率随着法向直接日射辐照度、环境温度的升高而增加,随着环境风速和吸热器入口传热流体温度的升高而降低,而受传热流体质量流量的影响较小。     

圆锥螺旋管腔式熔融盐吸热器热性能的数值研究

提出一个用于塔式太阳能发电系统的圆锥螺旋管式熔融盐吸热器,对其热性能进行数值研究,得到吸热器的热损失以及热效率,并将数值计算结果与美国圣地亚实验室的熔融盐子系统的实验数据进行对比。研究发现:在相同的阳光入射条件和风速条件及接近的开口尺寸和管道长度下,采用圆锥形螺旋管吸热器管道外壁面平均温度降低、吸热器效率提高。     

聚光太阳能吸热管的吸热传热特性

基于太阳能选择性吸收涂层的辐射性能,建立聚光太阳能吸热管光热耦合传输的数理模型,理论研究聚光太阳能吸热管的吸热传热特性。研究表明,吸热管壁温度随着聚光能流密度增加而线性升高,而吸热效率在中等聚光能流密度时达最大值。太阳能选择性吸收涂层性能对吸热传热有重要影响,具有低红外发射系数涂层的系统吸热效率明显较高,而红外辐射能量损失率则在中等聚光能流密度时最小。管内强迫对流可以显著提高吸热管效能,吸热效率随流速增加而提高,而管壁温度则显著下降。     

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。     

燃气轮机部分负荷工况下联合太阳能系统循环的变组合工况性能分析

以槽式太阳能集热场和燃气-蒸汽联合循环所组成的太阳能燃气联合循环为研究对象,利用Ebsilon软件对该系统进行建模,对原有燃气-蒸汽联合循环(GTCC)系统设备不变、汽轮机扩容和汽轮机及低压省煤器均扩容3种条件下,机组部分负荷运行时太阳能集成特性进行分析。结果表明在现有设备不改变的基础上以及相同的太阳集热器出口蒸汽参数下,太阳能的集成规模受汽轮机容量的限制。当燃机从100%负荷降至30%负荷运行时,集热板接收太阳辐射的最大值从0 MW增至65 MW,对应的太阳能净发电效率从29.6%增至31.6%。在原有设备基础上对汽轮机进行扩容改造后,燃机满负荷运行,当集热板辐射量由24 MW增至120 MW时,太阳能最大净发电效率由28.5%降至26.5%。当燃机负荷在75%以上运行时,低压省煤器面积增大1.2倍,当太阳能集成规模为74 MW时,太阳能净发电效率提高约2%。     

抛物面槽式太阳能SolTrace 模拟与实验分析

结合抛物面槽式聚光器的光学特性,应用Sol Tarce光学仿真模拟软件,采用蒙特卡洛射线追踪法对设计搭建的呈东西轴布置的抛物面槽式聚光集热实验系统,建立光学系统模型并进行Sol Tarce模拟分析,获得抛物面槽式吸热管在当天不同时刻下及不同太阳直射辐照度下的有效辐射能通量和抛物面槽式吸热管壁面的能流密度分布,并将模拟得到的结果与实测实验数据进行对比分析,结果表明:模拟结果与实验数据具有较好的一致性,最小及最大偏差分别为8.1%和16.4%,实验数据可较好地验证Sol Tarce模拟系统的可行性及模拟结果的可信度,抛物面槽式吸热管吸收太阳辐射能受太阳光入射角和太阳辐照度的影响较大。模拟结果能够有效地反映聚光型太阳能热发电系统的光学性能及热性能,为聚光型太阳能热发电系统的设计与优化以及工程应用提供参考依据。