CN101122425A - 一种碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器 - Google Patents

Abstract

一种碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器，以碳化硅泡沫陶瓷材料作为太阳能吸收体。碳化硅泡沫陶瓷吸收体[1]外部包覆有保温层[2]，辐射热流[3]投射到硅泡沫陶瓷吸收体[1]表面或投入人工黑体空腔[9]，由碳化硅泡沫陶瓷接收体[1]接收，冷空气[4]直接从碳化硅泡沫陶瓷接收体[1]正对辐射热流[3]侧流入，经换热后获得热空气[5]；或辐射热流[3]透过石英玻璃窗[10]，冷空气[4]从碳化硅泡沫陶瓷接收体[1]正对辐射热流[3]侧或背对辐射热流[3]侧流入，经换热后获得700℃－1300℃的热空气[5]，碳化硅泡沫陶瓷接收体[1]预埋空气导流通道[8]。本发明可高效接收辐射热和高效地向空气传热，同时利用自身的显热进行储热。

Description

一种碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器

技术领域

本发明涉及一种太阳能空气吸热器，特别涉及碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器。

背景技术

太阳能是取之不尽用之不竭的可再生能源，在化石燃料逐年减少、国际能源形势日趋严峻的今天，开发利用太阳能是实现能源供应多元化、保证能源安全的重要途径之一。

迄今为止，已经有塔式、槽式、碟式等多种热发电方式，其中塔式热发电装置是最具竞争力的技术装置，其基本原理是利用众多的定日镜，将太阳辐射反射到置于塔上的太阳能接收器上，借助加热工质产生过热蒸汽或高温空气，驱动发电机组，产生电能。高温太阳能吸热器是塔式热发电系统的核心部件。国外围绕此项技术进行了诸多研究，主要集中在美国、西班牙、德国、以色列等，国内在该方面起步较晚，研究成果也较少。高温太阳能吸热器按结构类型大致可以分为两种形式：外部受光型和空腔型。其中应用较多的是容积式吸热器，就是一种由三维的基体所构成的太阳能吸热器，可使从中流过的工作流体与其进行直接的热交换。容积式太阳能吸热器通常有一个空心壳体，用于容纳容积式太阳能吸收装置，壳体由玻璃透光窗覆盖，形成封闭的吸热装置腔体，腔体可以容纳与吸收装置直接接触的工作流体，工作流体流过吸热装置腔体，从吸收装置上吸收热量。美国专利4394859公开了一种以空气为传热流体的柱状金属管式吸热器，该吸热器对金属要求较高，系统复杂，成本高。美国专利4777934公布了采用带有粒子的压缩空气为传热介质的太阳能吸热器，其温度可被加热至700℃，该吸热器无法应用到更高的温度。美国专利US6668555B1公布了基于吸热器的太阳能发电系统，采用热管式太阳能吸热器，其传热工质为空气，虽然传热效率较高，但应用于高温需要采用金属钠等物质作为热管内的相变材料，对安全性要求苛刻。美国专利4318393公布了采用包括不锈钢、铬、钽、钨等耐高温金属、金属合金或金属氧化物等多孔表面的太阳能吸热器，采用空气为传热工质，其温度可被加热到500℃～1500℃，但由于多孔表面的孔隙分布为圆柱形孔洞，如图1，多孔表面吸热体11的骨架12和孔隙13尺寸，图1中(a)图的A-A剖面如图(b)，表明其吸热体11表面的孔隙13是柱状结构。该专利的不足之处为：(1)圆柱管内空气彼此不联通，当太阳投入辐射不均匀时，骨架12局部过热部分的热量仅靠直接接触的空气流动将无法快速带走表面吸收的辐射热，易造成骨架12的局部烧毁；(2)仅采用多孔表面吸热，在表面辐射投入不均匀时，由于空气的粘性随温度升高而成指数规律增长，流动阻力随温度增高而增大，其表面温度的非均匀变化使得空气流动不稳定，使得温度高的区域空气流量减少，而温度低的区域空气流量增大，吸热器的效率降低，传热过程恶化。中国专利CN2758657提出了腔式太阳能吸收器，但其结构较为复杂，分为内外两个腔，内腔体临近石英玻璃窗表面涂覆太阳能选择性吸收涂层，并且采用不同的物质用于传热和蓄热，用于高温情况。此专利给太阳能选择性吸收涂层提出了苛刻要求。中国专利CN2872208提出了一种空腔式太阳能吸收器，采用了针管冷却玻璃窗、管状吸热体，管状吸热体的换热表面积小，传热效率不高，并且采用不同材料作为吸热体与蓄热体，结构复杂。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术结构复杂、高温使用受限及空气流动稳定性欠佳的缺点，提供一种碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器，采用碳化硅泡沫陶瓷材料作为太阳能吸收体，该吸收体预埋有空气导流通道，同时利用了碳化硅泡沫陶瓷自身三维多孔结构、吸收率高、耐高温、高导热的特点，兼有储热功能。

鉴于太阳能投入辐射的不均匀特点，在碳化硅泡沫陶瓷吸热体内预埋空气导流通道，空气导流通道位于靠近吸收太阳投入辐射侧或者高温空气出口侧，使得具有较高温度空气能够顺畅的流入空气温度较低区域，达到均匀空气温度的、稳定空气流场的目的。空气导流通道的结构采用斜圆柱孔、直圆柱孔或者二者的组合，其尺寸和孔结构的选择由空气流场参数和投入辐射的分布情况决定，其原则是既做到不同温度的空气充分混合又能系统空气流动阻力最小。

碳化硅泡沫陶瓷是具有三维空间网架结构的高气孔率的多孔陶瓷体，本发明的碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器，采用碳化硅泡沫陶瓷材料作为太阳能吸收体，其内预埋有空气导流通道，空气为传热介质。经聚光设备收集的太阳辐射能投射到碳化硅泡沫陶瓷接收体上，由于碳化硅泡沫陶瓷的三维多孔特征，辐射能被碳化硅泡沫陶瓷表面吸收，穿过表面孔隙，被碳化硅泡沫陶瓷接收体内部的陶瓷骨架吸收，辐射能转化为碳化硅泡沫陶瓷的热能，使得吸收了辐射能的碳化硅泡沫陶瓷部分温度升高。碳化硅泡沫陶瓷具有很高的导热系数，热量迅速在陶瓷骨架间传导，使得整个碳化硅泡沫陶瓷接收体的温度升高。通过风机将冷空气引入碳化硅泡沫陶瓷接收体内，由于碳化硅泡沫陶瓷的多孔特性，空气与陶瓷骨架间有很大的接触面积，冷空气与热的碳化硅泡沫陶瓷表面间进行对流传热，吸收热量后温度升高。碳化硅泡沫陶瓷本身的热容量可以存储一定数量的吸收辐射热，用于没有投入辐射时加热空气。碳化硅泡沫陶瓷耐温超过1600℃，确保了本发明的空气吸热器可以用于较高的温度。碳化硅泡沫陶瓷骨架的导热系数大于100W/m/K，在太阳投入辐射不均时，局部吸热的形成高温可以通过骨架向四周迅速传导，同时，通过设计1-6mm的三维孔隙结构，结合预埋的空气导流通道，使得具有不同温度的空气能够充分混合，达到均匀温度的目的。温度均匀的空气在整个吸热体中流场稳定，可以降低流动阻力和提高吸热体的吸热效率，温度场的均匀分布，避免了局部的过热破坏，提高了吸热器的安全性。因此，本发明碳化硅泡沫陶瓷的三维孔隙结构、预埋的空气导流通道及骨架的高导热特征，保证了空气在高温情况下的均匀、稳定流动和吸热器的长期、高效、安全运行。

本发明太阳能空气吸热器有外部受光方式和空腔方式。外部受光方式是将碳化硅泡沫陶瓷接收体直接置于汇聚的太阳光下进行吸热，冷空气从吸收体正对辐射侧流入，在流动过程中从吸收体获得热量，提升温度。该种方式冷空气侧不需要采取密封措施，结构简单。空腔方式是将碳化硅泡沫陶瓷制成一吸收辐射腔体，投入辐射经过石英玻璃窗后传入碳化硅泡沫陶瓷接收体内。根据空气的流动方式分为逆流和顺流两种，冷空气从吸收体正对辐射侧流入为顺流，冷空气从吸收体背对辐射侧流入为逆流。

碳化硅泡沫陶瓷接收体外侧覆有保温层，既能减少热损失，又可发挥密封作用，防止热空气流入环境中。

本发明工作过程如下：

经聚光设备收集的太阳能辐射照射到碳化硅泡沫陶瓷吸收体上，由于自身的多孔特性和高辐射吸收率，可以高效的吸收辐射能量，使得吸收体温度升高。通过风机将冷空气引入碳化硅泡沫陶瓷吸收体内，在碳化硅泡沫陶瓷孔隙间流动过程中与吸收体对流传热，由于碳化硅泡沫陶瓷的三维孔隙结构特征，使得空气与吸热体的传热面积较大，传热效率较高。选择其孔隙大小在1-6mm之间，提高孔隙率可以增加空气与骨架的换热面积，提高空气的传热效率，但孔隙率的提高会减少储热量。空气的粘度系数随着温度的升高指数增加，流动的阻力也随之增大，空气温度的不均匀直接导致空气流量在孔隙间的不均匀分配，造成阻力大、温度高的区域空气流量减少，而阻力小、温度低的区域空气流量增大，吸热体内空气不能稳定流动，吸热体的效率降低。碳化硅泡沫陶瓷骨架的导热系数是一重要参数，选择高导热率材料有利于提高传热效率、促进吸热体内温度均匀和控制空气流动稳定性。预埋的空气导流通道结构和尺寸的合理选择，使得温度高的空气与温度低的空气更为充分的混合，是控制空气温度均匀，确保流动稳定的又一有力措施。吸热器的传热系数直接影响空气流动的稳定性和吸热器的输出功率，传热系数越大，吸热器的输出功率越大，其出口温度越高。合理选择碳化硅泡沫陶瓷材料、设计孔隙结构和空气导流通道结构是设计的重要因素。另外，碳化硅泡沫陶瓷吸收体自身的热容量可以发挥储热功能，可以在太阳能不足的情况下提供一定时间间隔的热量加热空气；在没有空气流入的情形下，碳化硅泡沫陶瓷吸收体吸收的辐射能全部转化为自身热容量，提高自身温度进行显热储热，适用于空气吸热器的启动阶段。

本发明结构简单，碳化硅泡沫陶瓷接收辐射能力强，碳化硅泡沫陶瓷的三维孔隙结构使得空气换热面积大，热转换效率高，预埋有空气导流通道，使空气流动过程稳定，温度均匀，根据碳化硅泡沫陶瓷材质和结构设计的不同，本发明可以获得温度范围为700℃-1300℃的热空气。同时碳化硅泡沫陶瓷接收体兼有储热功能，可以在一定时间间隔内控制空气温度输出参数的波动。

附图说明

图1美国专利4318393提出的多孔表面太阳能吸收器结构示意图；

图2本发明表面式外部受光方式碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器结构示意图；

图3本发明人工黑体式外部受光方式碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器结构示意图；

图4本发明顺流密封空腔方式碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器结构示意图；

图5本发明逆流密封空腔方式碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器结构示意图；

图中：1碳化硅泡沫陶瓷接收体、2保温层、3辐射热流、4冷空气、5热空气、6导流装置、7风机、8空气导流通道、9、人工黑体空腔、10石英玻璃窗、11多孔表面吸热体12骨架、13孔隙。

具体实施方式

本发明有表面式、人工黑体式两种外部受光方式和顺流、逆流两种密封空腔方式。

图2所示为本发明表面式外部受光方式碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器结构。碳化硅泡沫陶瓷接收体1外部包有保温层2，碳化硅泡沫陶瓷接收体1与导流装置6密封连接，导流装置6与风机7密封连接，碳化硅泡沫陶瓷接收体1在接收辐射侧预埋有空气导流通道8，其结构是斜圆柱孔、直圆柱孔或者二者的组合，其尺寸和孔结构的选择由空气流场参数和投入辐射的分布情况决定，其原则是既做到不同温度的空气充分混合又能使系统空气流动阻力最小。如当投入辐射在吸热体中心部位较为强烈其余部位较为均匀时，则在靠近中心位置预留有与吸热体周围相互连通的气流通道，将中心部位的高温空气导流至周围空气温度较低的区域混合，形成较温度较为均匀的空气流出吸热体，同时考虑空气流动过程的阻力特征，选择合适的空气流道几何结构，如斜圆柱与直圆柱的组合。碳化硅泡沫陶瓷接收体1的孔隙尺寸、截面形状、体积等由热空气5出口温度和投入辐射能等决定，如公式1。

∫_AG(A)dA+n&_airC_pair(T_in-T_out)-ρ_ceramicC_pceramic∫_/Δ_Tceramic(V)dV＝0  (1)

式中G为太阳投入辐射，n&为质量流量，C_p为比热，T为温度，下标in，out分别为表示接收体的入口和出口，ρ为密度，下标ceramic表示碳化硅陶瓷骨架，air表示空气，A表示陶瓷骨架截面面积，V表示陶瓷骨架体积。其中截面面积与孔隙尺寸和截面形状有关。保温层2采用的材料要求其长期使用温度不低于1600℃，以保证在高温应用时不发生毁坏，而且要求有良好的化学稳定性，导流装置6可以根据获得热空气5的出口温度、压力设计外形，如采用方程(2)的双曲面、方程(3)的椭圆抛物曲和由方程(2)、(3)分段组合而成的复杂锥面等。

$\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}-\frac{z^2}{c^2}=\±1---\left(2\right)$

$z=\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}---\left(3\right)$

式中a，b为可调常数。

工作时，碳化硅泡沫陶瓷接收体1接收到辐射热流3，冷空气4流入碳化硅泡沫陶瓷接收体1被加热，经导流装置6和风机7的作用获得热空气5。

图3所示为本发明人工黑体式外部受光方式碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器结构。碳化硅泡沫陶瓷接收体1外部包有保温层2，碳化硅泡沫陶瓷接收体1与导流装置6密封连接，导流装置6与风机7密封连接，碳化硅泡沫陶瓷接收体1被加工成空腔形式，空腔内表面自身发射和反射的辐射能量相互吸收，构造为人工黑体空腔9，最大可能的利用太阳辐射能，碳化硅泡沫陶瓷接收体1预埋有空气导流通道8，其结构是斜圆柱孔、直圆柱孔或者二者的组合，其尺寸和孔结构的选择由空气流场参数和投入辐射的分布情况决定，其原则是既做到不同温度的空气充分混合又能系统空气流动阻力最小。如当投入辐射在吸热体中心部位较为强烈其余部位较为均匀时，则在靠近中心位置预留有与吸热体周围相互连通的气流通道，将中心部位的高温空气导流至周围空气温度较低的区域混合，形成较温度较为均匀的空气流出吸热体，同时考虑空气流动过程的阻力特征，选择合适的空气流道几何结构，如斜圆柱与直圆柱的组合。碳化硅泡沫陶瓷接收体1的孔隙尺寸、截面形状、体积等由热空气5出口温度和投入辐射能等决定，如公式1。保温层2采用的材料要求其长期使用温度不低于1600℃，以保证在高温应用时不发生毁坏，而且要求有良好的化学稳定性，导流装置6可以根据获得热空气5的出口温度、压力设计外形，如采用方程(2)的双曲面、方程(3)的椭圆抛物曲和由方程(2)、(3)分段组合而成的复杂锥面等。工作时，碳化硅泡沫陶瓷接收体1接收到辐射热流3，冷空气4流入碳化硅泡沫陶瓷接收体1被加热，经导流装置6和风机7的作用获得热空气5，人工黑体空腔9内表面进行相互吸收和发射辐射。

图4所示为本发明顺流密封空腔方式碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器结构。碳化硅泡沫陶瓷接收体1外部包有保温层2，碳化硅泡沫陶瓷接收体1与导流装置6密封连接，导流装置6与风机7密封连接，石英玻璃窗10与碳化硅泡沫陶瓷接收体1和保温层2密封连接，碳化硅泡沫陶瓷接收体1在接收辐射侧预埋有空气导流通道8，其结构是斜圆柱孔、直圆柱孔或者二者的组合，其尺寸和孔结构的选择由空气流场参数和投入辐射的分布情况决定，其原则是既做到不同温度的空气充分混合又能系统空气流动阻力最小。如当投入辐射在吸热体中心部位较为强烈其余部位较为均匀时，则在靠近中心位置预留有与吸热体周围相互连通的气流通道，将中心部位的高温空气导流至周围空气温度较低的区域混合，形成较温度较为均匀的空气流出吸热体，同时考虑空气流动过程的阻力特征，选择合适的空气流道几何结构，如斜圆柱与直圆柱的组合。碳化硅泡沫陶瓷接收体1的孔隙尺寸、截面形状、体积等由热空气5出口温度、空气流动过程压力损失和投入辐射能等决定，保温层2采用的材料要求其长期使用温度不低于1600℃，以保证在高温应用时不发生毁坏，而且要求有良好的化学稳定性，导流装置6可以根据获得热空气5的出口温度、压力设计外形，如采用方程(2)的双曲面、方程(3)的椭圆抛物曲面或由方程(2)、(3)分段组合而成的复杂锥面。石英玻璃窗10的形状可以是平面也可以是凹面，根据投入辐射方向选择。工作时，辐射热流3透过石英玻璃窗10，经风机7从环境中吹入冷空气4，冷空气4流经碳化硅泡沫陶瓷接收体1，碳化硅泡沫陶瓷接收体1外部包覆有保温层2以减少外部热损失，经碳化硅泡沫陶瓷接收体1加热后获得热空气5，整个太阳能空气吸热器在密封的环境下运行。

图5所示为本发明逆流密封空腔方式碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器结构。碳化硅泡沫陶瓷接收体1外部包有保温层2，碳化硅泡沫陶瓷接收体1与导流装置6密封连接，导流装置6与风机7密封连接，石英玻璃窗10与碳化硅泡沫陶瓷接收体1和保温层2密封连接，碳化硅泡沫陶瓷接收体1预埋空气导流通道8，其结构是斜圆柱孔、直圆柱孔或者二者的组合，其尺寸和孔结构的选择由空气流场参数和投入辐射的分布情况决定，其原则是既做到不同温度的空气充分混合又能系统空气流动阻力最小。如当投入辐射在吸热体中心部位较为强烈其余部位较为均匀时，则在靠近中心位置预留有与吸热体周围相互连通的气流通道，将中心部位的高温空气导流至周围空气温度较低的区域混合，形成较温度较为均匀的空气流出吸热体，同时考虑空气流动过程的阻力特征，选择合适的空气流道几何结构，如斜圆柱与直圆柱的组合。碳化硅泡沫陶瓷接收体1的孔隙尺寸、截面形状、体积等由热空气5出口温度、空气流动过程压力损失和投入辐射能等决定，保温层2采用的材料要求其长期使用温度不低于1600℃，以保证在高温应用时不发生毁坏，而且要求有良好的化学稳定性，导流装置6可以根据获得热空气5的出口温度、压力设计外形，如采用方程(2)的双曲面、方程(3)的椭圆抛物曲或由方程(2)、(3)分段组合而成的复杂锥面。石英玻璃窗10的形状可以是平面也可以是凹面，根据投入辐射方向选择。工作时，辐射热流3透过石英玻璃窗10，经风机7从环境中抽入冷空气4，冷空气4流经碳化硅泡沫陶瓷接收体1，碳化硅泡沫陶瓷接收体1外部包覆有保温层2以减少外部热损失，经碳化硅泡沫陶瓷接收体1加热后获得热空气5，整个太阳能空气吸热器在密封的环境下运行。

Claims (5)

1.一种碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器，其特征在于太阳能吸收体采用碳化硅泡沫陶瓷材料制作，碳化硅泡沫陶瓷接收体[1]外部包覆有保温层[2]，碳化硅泡沫陶瓷接收体[1]与导流装置[6]密封连接，导流装置[6]与风机[7]密封连接，碳化硅泡沫陶瓷接收体[1]预埋有空气导流通道[8]，空气导流通道[8]位于靠近吸收太阳投入辐射侧或者高温空气出口侧。

2.按照权利要求1所说的碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器，其特征在于冷空气[4]直接从碳化硅泡沫陶瓷接收体[1]正对辐射热流[3]侧流入，碳化硅泡沫陶瓷接收体[1]为表面式接收辐射热流[3]或人工黑体空腔[9]，冷空气[4]经换热后获得热空气[5]；或辐射热流[3]透过石英玻璃窗[10]，冷空气[4]从碳化硅泡沫陶瓷接收体[1]正对辐射热流[3]侧或背对辐射热流[3]侧流入，经换热后获得热空气[5]；石英玻璃窗[10]与陶瓷接收体[1]和保温层[2]密封连接。

3.按照权利要求1所说的碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器，其特征在于导流装置[6]采用双曲面、椭圆抛物曲面或分段组合成的复杂锥面。

4.按照权利要求2所说的碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器，其特征在于石英玻璃窗[10]采用平面或者凹面。

5.按照权利要求1所说的碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器，其特征在于空气导流通道[8]结构是斜圆柱孔、直圆柱孔或者二者的组合。

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