[科普中国]-太阳能吸收器

概述

吸收器是太阳能热发电系统的重要组成部分之一,根据对工质加热方式的不同可分为间接吸热式和直接吸热式两类。

间接吸热式吸收器根据热交换腔体是否密封又可分为开式和窗式两种。

按照吸收器结构的不同又可分为管状吸收器和热管吸收器。

管状太阳能吸收器的可以接收来各个方位的太阳光,对定日镜的布置、跟踪要求不高,制造和加工工艺简单,有利于太阳能的大规模利用。但是,由于其吸热体外露于周围环境之中,辐射热损失较大,因此此种吸收器热效率相对较低。等人对管状吸收器进行过详细的描述和研究。成功应用管状太阳能吸收器电站是美国的塔式热发电和玩。,用水做载热工质,而玩。则使用了熔盐介质。相对于管状吸收器而言热管吸收器可以减轻太阳能热吸收器的质量并提高其热力学性能,但是它的应用场合一般会受到限制,而且容易出现部分高温热管的空载状态、传热能力受到限制、换热系数较小、换热效果不理想等缺陷。直接吸热式太阳能吸收器也称空腔式吸收器,此种吸收器的特点为空腔式吸收器内表面具有凡近黑体的特性,大大提升了对入射太阳能的吸收能力,工质的流动传热和入射光加热受热面在同一表面发生,降低了对壁面材料的依赖。但是此类吸收器的光线进口往往会受到限制,在一定程度上增加了定日镜场的布置难度。目前空腔式吸收器的工作温度最高能够达到1300℃左右,带有高压窗的吸收器压力可达30atm。

直接吸热式太阳能吸收器又可分为无压腔体式和有压腔体式两种。为了进一步提高工质的出口温度,减小对腔体壁面材料的要求,又提出了太阳能粒子吸收器,该吸收器的换热方式是首先让工质在吸收器腔体中与传热载体分子或离子团掺混,再通过热传导、对流、辐射方式将这些载体所吸收的太阳辐射能转换为工质气体的热能。在这种吸收器中,最高温度出现在工作流体中而不是吸收器壁面,并且由于载体微粒的换热,工质的整体换热效率提高了,从而提升了吸收器的性能。1

管式太阳能吸收器管式吸收器是最早提出来的吸收器模型,具有结构简单、安装方便、换热能力强等优点,

它可以最大限度的接收聚焦的太阳光,有利于太阳能的大规模利用。各类管式吸收器都包括以下三个传热过程：

1.外部热源太阳能与管外壁之间的换热辐射换热和对流换热。

2.管外壁向内表面的导热。

3.管内壁与工质之间的对流换热。

管式吸收器管子排列形式主要有两种直管式和螺旋管式。1

直管式直管式吸收器的特点是各个直管并联,通过下面的集气管连接在一起,流体分别流经不同的直管进行流动换热,直管围成一个圆柱形腔体结构,其模型图如图所示,为了研究方便,对直管式吸收器每根支管进行标号,由左到右分别1-20号管。从图中可以看出,对于圆柱形腔体结构,当孔径比接近1.0时光学效率最高。固结构尺寸选取为各个小管的直径为5mm,垂直长度为111mm,弯曲处半径为14mm,管子根数为20根。内圈管子环绕半径为95mm,外圈管子环绕半径为123mm,各根管子之间偏转角度为8°。为了提高计算质量,采用分区法对吸收器进行网格划分,得到结构化网格数共计152400。1

螺旋管式吸收器螺旋管式吸收器则是将一个直管盘旋呈螺旋形状,通过流体在管道内部流动过程中不断改变方向增加湍流强度和引起的二次流动来达到强化换热的目的。其模型图见图所示。从图中得出,当孔径比为1.5时,圆锥形腔体的光学效率能达到最大值,约90%。固选取结构尺寸为管子内径为5mm,垂直长度为110mm,小端口环绕半径为13mm,大端口环绕半径为95mm。1

空腔式太阳能吸收器空腔式吸收器是一种可以用来驱动涡轮机组和各种高温热化学过程的高效太阳能吸收器。空腔式吸收器中最典型的模型要数以色列魏茨曼科学研究院的Kribus等人研制的直接照射式环形加压吸收器(DIAPR),其结构简图见图所示。在吸收器腔体内部陶瓷基底上安装有针状放射形吸收体,通过增大吸收换热面积和破坏流体边界层增加湍流流动来吸走近10倍于现行一般太阳能吸收器所能吸收的太阳热能。实验测得该吸收器的工质出口温度为1300℃左右,所能承受的平均辐射通量为一5000~10000Kw/m2、压力为15~30bar,热效率可达80%。1

吸收器热力学计算进入腔体内部能量太阳光是通过高压玻璃窗进入到吸收器腔体内部的,因为高压玻璃窗具有很高的光学性能,即穿透率很高,损失的能量很少。透过玻璃窗进入吸收器腔体内部的能量为Q’=Qτ，其中为Q总能量,τ为高压窗的穿透率。

月空体壁面温度计算根据斯戒藩一玻尔兹曼定律的经验修正式,在吸收器的光热转换过程中,吸收器内壁面加热后所具有的辐射力与其吸收的太阳辐射能相等。

则辐射换热方程为ξ* Ar*σ *Ts4=Q’。

ξ为吸收器内腔表面的热辐射发射率。

Ar:为吸收器的内腔表面积。

σ为斯戒藩一玻尔兹曼常量。

Ts为经高密度的太阳辐射光能加热后吸收器内壁面的温度。

效率计算η=（m*Cp*(Tc-Ti)）/Q.