CN109883064A - 一种太阳能集热器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种太阳能集热器，设置于集热塔顶部，包括：吸热体、透明窗口、风机、集热器壳体以及循环气体；所述的透明窗口设置于吸热体的受照面侧，该透明窗口与所述的集热器壳体构成集热腔，集热腔内充有循环气流；所述的风机设置于位吸热体背面侧；所述的吸热体包括多孔介质块和板翅管，多孔介质块与板翅管交替堆叠；所述的多孔介质块为泡沫陶瓷。本发明利用泡沫陶瓷作为聚焦太阳辐射的吸收介质，聚焦的太阳辐射透过玻璃窗口，产生的热量通过热传导传输给板翅管；同时，利用风机驱动集热器腔体内气流循环流过泡沫陶瓷，将前端受照射强烈区域的多余的热量带到内部辐射强度较弱的区域，实现热量传输的优化，降低前端温度并减少前端热辐射损失。

Description

一种太阳能集热器
技术领域
本发明属于光热发电领域，具体涉及一种太阳能驱动超临界二氧化碳布雷顿循环的太阳能集热器。
背景技术
化石能源面临枯竭和全球气候变暖，已经成为人类必须直接面对并亟待解决的问题。大力开发并推广利用清洁能源成为解决这两个问题最好的途径之一。近几年，受到政府政策推动的作用，我国太阳能的开发与利用技术取得了很好的发展与进步。
太阳能的利用主要分为两个方面，一个是光伏，一个是光热。其中光热发电配备储热系统可实现一天24小时不间断供电，并且可以弥补太阳能间歇性的缺点，同时，光热发电与现有火力发电系统的动力循环设备兼容，产生的电能可直接并网。因为这些优势，光热发电技术近年来得到了很好的发展。但是其相对较高的成本仍然制约着这项技术的商业化推广，因此出现了将高效超临界二氧化碳布雷顿循环与光热发电结合的应用，这项技术将大幅提高发电效率并有效降低成本。
太阳能集热器是太阳能驱动超临界二氧化碳布雷顿循环的关键部件之一，它直接吸收太阳辐射并将热量传递给超临界二氧化碳，微通道管式集热器是其中最为常见的。但是微通道管式集热器存在大量的对流损失和辐射损失，集热效率较低，而且入射太阳热流不能过高，否则会造成集热管表面温度过高，导致设备受损失效。
发明内容
发明目的：为解决现有太阳能驱动超临界二氧化碳布雷顿循环系统中集热管辐射吸收能力较弱且辐射损失较高的问题，本发明提供了一种太阳能集热器。
技术方案：为了达到上述目的，本发明提供一种太阳能集热器，设置于集热塔顶部，包括：吸热体、透明窗口、风机、集热器壳体以及循环气体；所述的透明窗口设置于吸热体的受照面侧，该透明窗口与所述的集热器壳体构成集热腔，该集热腔内充有循环气流；所述的风机设置于位吸热体背面侧；所述的吸热体包括多孔介质块和板翅管，多孔介质块与板翅管交替堆叠；其中，所述的板翅管为一长方体，侧面为半圆弧形，内设有翅片隔开的流体通道；多孔介质块的侧面内凹，与板翅管的半圆弧形侧面相镶嵌贴合。
进一步，所述的多孔介质块为孔隙率高于0.85的碳化硅泡沫陶瓷块。
进一步，所述的翅片排布为交错排列。
进一步，所述的透明窗口为石英玻璃，在该玻璃上镀有选择透过性层。
进一步，所述的选择透过性层对波长0.3-2.5μm的电磁波透过率高，对波长2.5μm以上的电磁波透过率低。
进一步，所述的板翅管采用镍基合金材料。
进一步，所述的集热器壳体为不锈钢壳体，外部设有保温隔热层。
有益效果：本发明利用泡沫陶瓷实现太阳能的容积式吸收，并通过循环气流调控泡沫材料内热量分布，可大大集热器提高热流承受能力，优化集热器内热量传输，在同样太阳能量输入的情况下热辐射损失窗口面积更小，受照面温度更低，在高温、高压、高能流的条件下实现了更高的光热转换效率。
附图说明
图1是本发明的太阳能集热的立体示意图；
图2是本发明的泡沫陶瓷和板翅管横截面图；
图3是本发明的太阳能集热器的工作原理图示意图；
图4是本发明的板翅管对称面截面图；
图5是本发明的二氧化碳流动示意图；
图6是本发明的实施例的数值模拟验证结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
本发明的太阳能集热器设置在集热塔顶部，具体位于反射光线的焦点处。如图1所示，该集热器包括：吸热体、透明窗口3、风机4、集热器壳体5以及循环气体7；透明窗口3设置于吸热体的受照面侧，该透明窗口(3)与集热器壳体(5)构成集热腔，风机4设置于位吸热体背面侧，驱动集热腔内循环气流(7)周期性流过吸热体。所述的吸热体包括多孔介质块1和板翅管2，多孔介质块1与板翅管2交替堆叠，相互贴合，共同构成吸热体部分，如图2所示。其中，所述的板翅管2为一长方体，侧面为半圆弧形，内有翅片隔开的流体通道，多孔介质块(1)的侧面内凹，并与板翅管(2)的半圆弧形侧面相镶嵌贴合。聚光穿过透明窗口照射在多孔介质块1上，循环气流7被风机4推动而循环流过多孔介质块1；透明窗口1和集热器外壳5密封配合，以防止循环气流外泄。
如图3所示的太阳能集热器的工作原理图示意图，高倍聚光的太阳辐射8被多孔介质块1吸收，辐射能量沿入射深度指数衰减，循环气流7被风机4推动在集热器腔体内循环流动，从受照面侧向内循环穿过多孔介质块1。循环气流7会从多孔介质块1受照射强烈的高温区域吸收热量，并将热量携带至内部辐照强度较低的区域释放给多孔介质块1，多孔介质块1内的热量分布在循环气流7的调控下趋向均匀。所述的循环气流(7)为空气、氮气，二氧化碳或在温度超过1000℃条件下，安全稳定的气体。整个过程中，热量持续通过多孔介质块1和板翅管2的接触面，从多孔介质块1传递至板翅管2及其内输送的超临界二氧化碳。
为了使太阳能集热器能够承受高温、高压、高辐射能流，所述的多孔介质块1优选用孔隙率高于0.85的SiC泡沫陶瓷材料的泡沫陶瓷块；所述的板翅管2采用耐高温镍基合金材料，如625合金，并且板翅管的翅片采用叉排布置，如图4所示。
所述的透明窗口3优选为石英玻璃，镀有选择透过性层，对波长0.3-2.5μm的电磁波透过率高，对波长2.5μm以上电磁波透过率低，风机4为可控转速的可耐受至少800℃高温的风机。集热腔外壳5为不锈钢壳体，外部设有保温隔热层。
如图5所示，超临界二氧化碳的受热分为两段，在一个板管的后半段完成初步受热后，流至相邻板管前半段继续受热至所要求的出口温度。
下面通过有限元数值模拟的结果来分析本实施例中循环气流7的效果，本次模拟的参数背景为：
超临界二氧化碳压力为20MPa，入口温度为723.15K(有回热器)和443.15K(无回热器)，对应的入口流速分别为1.1m/s和0.25m/s，板翅管厚度3mm，内部翅片宽2mm，管内通道横截面场长10mm，宽6mm，板翅管长400mm，共有翅片段4段，每段100mm，太阳聚光辐照热流为1.5MW/m2，不同工况的循环空气入口流速分别为3m/s、6m/s、9m/s，泡沫陶瓷孔隙率为0.92，吸收率为0.87。
图6为实施例的数值模拟结果，E表示集热器效率，T表示二氧化碳出口温度，A和B分别表示超临界二氧化碳入口温度为723.15K和443.15K的情形，可以看到，在不同的入口温度条件下，通过调控循环气流速度，都能使集热器光热转换效率超过90％且出口温度接近700℃，而常规超临界二氧化碳集热器效率仅为80％，可以看到所设计的集热器较常规集热器具有更高的集热效率。

Claims (9)

1.一种太阳能集热器，设置于集热塔顶部，其特征在于：该集热器包括：吸热体、透明窗口(3)、风机(4)、集热器壳体(5)以及循环气体(7)；所述的透明窗口(3)设置于吸热体的受照面侧，该透明窗口(3)与所述的集热器壳体(5)构成集热腔，该集热腔内充有循环气流(7)；所述的风机(4)设置于位吸热体背面侧；所述的吸热体包括多孔介质块(1)和板翅管(2)，多孔介质块(1)与板翅管(2)交替堆叠；其中，所述的板翅管(2)为一长方体，侧面为半圆弧形，内设有翅片隔开的流体通道；多孔介质块(1)的侧面内凹，与板翅管(2)的半圆弧形侧面相镶嵌贴合。
2.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于：所述的多孔介质块(1)为孔隙率高于0.85的碳化硅泡沫陶瓷块。
3.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于：所述的翅片排布为交错排列。
4.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于：所述的透明窗口(3)为石英玻璃，在该玻璃上镀有选择透过性层。
5.根据权利要求4所述的太阳能集热器，其特征在于：所述的选择透过性层对波长0.3-2.5μm的电磁波透过率高，对波长2.5μm以上的电磁波透过率低。
6.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于：所述的板翅管采用镍基合金材料。
7.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，所述的风机(4)为可耐受至少800℃高温的风机。
8.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，所述的循环气流(7)为空气、氮气，二氧化碳或在温度超过1000℃条件下，安全稳定的气体。
9.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，所述的集热器壳体(5)为不锈钢壳体，外部设有保温隔热层。
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