CN109812984A - 一种具有容积效应的太阳能多孔介质吸热器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有容积效应的太阳能多孔介质吸热器，包括保温层、石英玻璃窗口、工质入口、腔体、多孔介质吸热芯、导流通道。其特征在于：多孔介质的类型可根据吸热器工作要求进行选取，多孔介质结构参数和表面辐射特性参数随着吸热器最高温度区域空间位置的确定进行选择调节，腔体四周交错分布有工质入口，与多孔介质吸热芯前端的圆顶导流槽共同作用可形成旋流，石英玻璃窗口根据入射热流分布可为平面或透镜形式。本发明通过调控多孔介质特征参数，提高辐射深度，并结合旋流特性强化多孔介质吸热器前端换热效果实现容积效应，降低前端辐射损失，降低压降，提高流动稳定性。

Description

一种具有容积效应的太阳能多孔介质吸热器
技术领域
本发明涉及太阳能光热发电用高温空气吸热器技术领域，具体是涉及一种太阳能吸热器。
背景技术
随着全球能源需求的增加和环境保护的要求，清洁可再生能源的利用受到越来越多的关注。太阳能热发电系统在国际新能源发电系统中占有重要地位，其产物无污染，便于并网，具有很大的发展空间。太阳能吸热器为太阳能热发电系统中的核心部件，其可以吸收镜场汇聚后的太阳能热流，并用来加入流经吸热器的工质，以备发电机组使用。吸热器的集热效率直接影响热发电系统的光电效率，所以提高吸热器的集热效率具有重要意义。容积式吸热器是应用较多的一种吸热器，其通常由各类形式的三维多孔材料构成，具有换热面积大，工质出口温度高的特点，集热效率有很大的提升空间。理论上良好设计的容积式吸热器可以实现容积效应，即吸热器受照前端的固体温度低于吸热器出口温度，最高温度区域出现在吸热器内部，在此种情况下，前端温度低，辐射损失小，集热效率得以较大提升。目前容积式吸热器由于前端消光系数大，外部辐射热流吸收深度较浅，造成前端温度过高，热辐射损失大，未能达到容积效应，限制了集热效率的提高，并且容易发生流动失稳现象。
多孔介质吸热器设计要点在于合理的设计消光系数分布以提高入射热流深度，提高对流换热系数以增强换热效果，控制吸热器厚度，降低吸热器进出口压降。在实际的调控过程中，不同参数的调控会相互制约，甚至冲突，比如降低消光系数有利于提高入射深度，但是同时会造成对流换热系数的下降，反而有可能造成局部温度过高，辐射损失增大，所以需要协调调控不同参数，找到较优解。目前传统的多孔介质吸热器没有很好的克服以上难点。
发明内容
发明目的：为了解决现有传统多孔介质吸热器的集热效率低、流动稳定性差的缺点，达到容积效应，本发明提出一种具有容积效应的太阳能多孔介质吸热器，以提高外部热流入射深度并结合旋流特性，增大工质的流速以提高对流换热系数，使得高温区域内移，达到容积效应的多孔介质吸热器。
技术方案：
一种具有容积效应的太阳能多孔介质吸热器，多孔介质材料吸热芯、石英玻璃辐射窗口、腔体、保温层、工质入口、导流通道，所述腔体为可耐受高温和压力的圆柱形腔体，腔体前端安装有石英玻璃辐射窗口，腔体内部安装有多孔介质材料吸热芯，多孔介质材料吸热芯的外径等于腔体的内径，所述多孔介质材料吸热芯用于吸收辐射热流以及与工质进行热交换，在石英玻璃辐射窗口与多孔介质材料吸热芯之间设置有四个沿圆周交错分布的工质入口，可供工质流入，形成的旋流流入多孔介质材料吸热芯，腔体后端留有导流通道，可供工质流出，保温层位于腔体最外层，用于保温；工作时，经外部镜场汇聚后的辐射热流透过石英玻璃辐射窗口投射到多孔介质材料吸热芯，使得多孔介质吸热芯温度升高，同时经过工质入口流入的工质，与多孔介质材料吸热芯进行换热，在多孔介质材料吸热芯末端达到气固温度平衡，经过导流通道流出。
进一步地，所述多孔介质材料吸热芯结构参数、结构形貌和辐射特性参数可随着空间位置发生渐变或者梯度变化，所述结构参数包括孔隙率、孔径、厚度。
进一步地，所述多孔介质材料吸热芯由受照面开始，其消光系数随深度呈增大趋势，直至外部辐射热流被充分吸收。
进一步地，所述多孔介质材料吸热芯中心区域为局部高消光系数区，用于吸收辐射热流，强化换热。
进一步地，所述多孔介质吸热芯在前段采用孔隙率为0.9和孔径为1-2mm的多孔介质材料吸热芯，使得辐射热流深度增大以及结合工质入口处形成的旋流流场强化换热可以达到容积效应。
进一步地，所述多孔介质吸热芯在所述的高消光系数区之后选用孔隙率为0.9和孔径为3-4mm的多孔介质材料吸热芯，以降低进出口压降，提高流动稳定性。
进一步地，多孔介质前段加入可耐受高温的光谱选择性涂层，以降低多孔介质红外波段的发射率，光谱选择性涂层为ZrB2或MoSi2–Si3N4。
进一步地，所述多孔介质吸热芯可采用碳化硅泡沫陶瓷或采用碳化硅堆积球颗粒。
进一步地，所述的石英玻璃辐射窗口为平面或透镜形式。
进一步地，所述多孔介质材料吸热芯的前端留有向内凹陷的圆顶形导流槽。
有益效果：通过合理的调控吸热器的特征参数，并且加入旋流特征，可以在保证增加入射深度的前提下，提高吸热器的换热效果，使得高温区域内移，实现容积效应，提高吸热器的集热效率，同时可以控制吸热器的压降特性，提高流动稳定性。。
附图说明
图1是具有容积效应的太阳能多孔介质吸热器示意图；
图2是石英玻璃辐射窗口为平面的吸热器剖面示意图；
图3是石英玻璃辐射窗口凹陷的吸热器剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
图1所示为采用本发明的具有容积效应的太阳能多孔介质吸热器，腔体3为可耐受高温和一定压力的圆柱形腔体，腔体3前端安装有石英玻璃辐射窗口2，石英玻璃辐射窗口2为平面型，其作用是透过辐射热流使得热流分布更为均匀，并保证吸热器的密封。腔体3前端留有四个沿圆周交错分布的工质入口5，可供工质流入，由于流道的分布特性和吸热体前端的导流机构，使得工质产生旋流特性，流入多孔介质吸热芯1。腔体3后端留有导流通道7，可供工质流出。多孔介质吸热芯1位于腔体3内部，用于吸收辐射热流和工质进行热交换。保温层4位于腔体最外层，起保温作用。在实际调控中，为了使得入射深度增加，通常会导致多孔介质吸热芯比表面积下降，造成吸热器换热效果下降，从而导致固体温度升高，为了克服这一缺点，在吸热器前端的引入旋流特性，在不增大总流量的前提下，通过增大径向速度以提高入射热流的总流速来保证换热效果，从而降低吸热器前端温度。
图2、图3分别为所示为石英玻璃辐射窗口为平面和凹陷的吸热器剖面示意图，多孔吸热芯1前端留有圆顶型导流凹槽，其作用为对吸热器入口流体进行导流，防止旋流中心区域形成流动死区。多孔吸热芯1可以由多层特征参数梯度变化或渐变的碳化硅泡沫陶瓷构成，也可由多层不同特征参数的碳化硅颗粒堆积而成，在多孔介质前端，可以根据透过石英玻璃窗口2的辐射热流特性和工质的流动特性选取合适的孔径、孔隙率等结构参数，孔径选取1-4mm，孔隙率选取0.8-0.95、整体厚度选取20-50mm、结构形态可以为蜂窝状、泡沫状、线网状，保证吸热器可以达到温度平衡，同时控制吸热器厚度和压力梯度，降低压降损失；如果为碳化硅颗粒，还可选取合适的粒径和堆积方式等结构参数，降低前端的消光系数，使辐射热流深入吸热器内部，减轻前端的热力集中现象，同时结合工质入口5的旋流工质强化换热，使得高温区域内移，降低前端的辐射损失。
多孔介质吸热器通常工作在1000K-1400K，根据黑体辐射规律，此时吸热器红外波段辐射损失较大，而相对应的入射热流中，红外波段的入射比例较小，通过使用高温涂层合理的降低吸热器红外波段的发射率可以进一步降低吸热器的辐射损失提高集热效率，因此在多孔介质前段加入可耐受高温的光谱选择性涂层，例如ZrB2、MoSi2–Si3N4等，降低多孔介质红外波段的发射率。根据入射热流的近似指数衰减规律，以消光系数和辐射深度为依据，在多孔介质中心一定区域以增大消光系数和增强换热效果为目的，调控多孔介质的结构参数，使得外部辐射热流完全被吸收并尽可能提高吸热器的工质温度。在多孔介质后端由于外部辐射已被完全吸收，因此以调控流动压降为重要目的，选取高孔隙率、大孔径、蜂窝形貌的结构参数，保证吸热器流动稳定性，同时继续加热工质直至出口处气固热平衡。
根据密封特性，吸热器可以为非承压式或承压式。非承压式吸热器腔体内部的工质压强与环境压强接近，吸热器的密封性要求较低，所受应力小，制造成本低，石英玻璃辐射窗口仅起到透光和导流的作用；承压式吸热器内部工质处于高压状态，所以吸热器的密封要求高，所受热应力大，结构复杂，制造成本高，石英玻璃辐射窗口需要进行密封性和应力测试，防止泄露或损坏，但是其可达到更高的工作温度，效率更高。
工作时，经外部镜场汇聚后的辐射热流6透过石英玻璃辐射窗口2投射到多孔介质吸热芯1内部，多孔介质吸收热流后温度升高，同时由工质入口5流入的工质，形成旋流，流入多孔介质吸热芯1，与多孔介质进行换热，在出口处达到气固温度平衡，经过导流通道7流入发电机组。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有容积效应的太阳能多孔介质吸热器，其特征包括：多孔介质材料吸热芯(1)、石英玻璃辐射窗口(2)、腔体(3)、保温层(4)、工质入口(5)、导流通道(7)，所述腔体(3)为可耐受高温和压力的圆柱形腔体，腔体(3)前端安装有石英玻璃辐射窗口(2)，腔体(3)内部安装有多孔介质材料吸热芯(1)，多孔介质材料吸热芯(1)的外径等于腔体(3)的内径，所述多孔介质材料吸热芯(1)用于吸收辐射热流以及与工质进行热交换，在石英玻璃辐射窗口(2)与多孔介质材料吸热芯(1)之间设置有四个沿圆周交错分布的工质入口(5)，可供工质流入，形成的旋流流入多孔介质材料吸热芯(1)，腔体(3)后端留有导流通道(7)，可供工质流出，保温层(4)位于腔体(3)最外层，用于保温；工作时，经外部镜场汇聚后的辐射热流(6)透过石英玻璃辐射窗口(2)投射到多孔介质材料吸热芯(1)，使得多孔介质吸热芯(1)温度升高，同时经过工质入口(5)流入的工质，与多孔介质材料吸热芯(1)进行换热，在多孔介质材料吸热芯(1)末端达到气固温度平衡，经过导流通道(7)流出。
2.根据权利要求1所述的具有容积效应的太阳能多孔介质吸热器，其特征在于：所述多孔介质材料吸热芯(1)结构参数、结构形貌和辐射特性参数可随着空间位置发生渐变或者梯度变化，所述结构参数包括孔隙率、孔径、厚度。
3.根据权利要求1所述的具有容积效应的太阳能多孔介质吸热器，其特征在于：所述多孔介质材料吸热芯(1)由受照面开始，其消光系数随深度呈增大趋势。
4.根据权利要求1所述的具有容积效应的太阳能多孔介质吸热器，其特征在于：所述多孔介质材料吸热芯(1)中心区域为局部高消光系数区，用于吸收辐射热流，强化换热。
5.根据权利要求1所述的具有容积效应的太阳能多孔介质吸热器，其特征在于：所述多孔介质吸热芯(1)在前段采用孔隙率为0.9和孔径为1-2mm的多孔介质材料吸热芯(1)，使得辐射热流深度增大以及结合工质入口(5)处形成的旋流流场强化换热可以达到容积效应。
6.根据权利要求4所述的具有容积效应的太阳能多孔介质吸热器，其特征在于：所述多孔介质吸热芯(1)在所述的高消光系数区之后选用孔隙率为0.9和孔径为3-4mm的多孔介质材料吸热芯(1)，以降低进出口压降，提高流动稳定性。
7.根据权利要求1所述的具有容积效应的太阳能多孔介质吸热器，其特征在于：多孔介质前段加入可耐受高温的光谱选择性涂层，以降低多孔介质红外波段的发射率，光谱选择性涂层为ZrB2或MoSi2–Si3N4。
8.根据权利要求1所述的具有容积效应的太阳能多孔介质吸热器，其特征在于：所述多孔介质吸热芯(1)可采用碳化硅泡沫陶瓷或采用碳化硅堆积球颗粒。
9.根据权利要求1所述的具有容积效应的太阳能多孔介质吸热器，其特征在于：所述的石英玻璃辐射窗口(2)为平面或透镜形式。
10.根据权利要求1所述的具有容积效应的太阳能多孔介质吸热器，其特征在于：所述多孔介质材料吸热芯(1)的前端留有向内凹陷的圆顶形导流槽。
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