CN113609727B - 一种计及近场光学效应的多尺度吸热器光热耦合性能获取方法 - Google Patents

一种计及近场光学效应的多尺度吸热器光热耦合性能获取方法 Download PDF

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Abstract

一种计及近场光学效应的多尺度吸热器光热耦合性能获取方法，首先采用时域有限差分法，计及光子与吸热器表面纳米结构之间的近场效应，获得纳米结构对太阳光谱的短波吸收率以及在不同温度下的红外辐射长波发射率。其次对于光线在定日镜场宏观尺度以及吸热管之间介观尺度的传播过程，采用蒙特卡罗光线追踪法建立光学传播模型，并结合纳米结构对太阳光谱的短波吸收率，计算得到吸热器表面的热流密度分布。最后采用有限容积法建立吸热器流动传热模型，并以吸热器表面热流密度分布作为热边界条件计算获得光热耦合性能。本发明可获得多尺度吸热器的光热耦合性能，以指导吸热器表面纳米结构的设计优化与筛选，从而提高下一代塔式光热电站的吸热器效率。

Description

一种计及近场光学效应的多尺度吸热器光热耦合性能获取 方法
技术领域
本发明属于太阳能热发电技术领域，特别涉及一种计及近场光学效应的多尺度吸热器光热耦合性能获取方法。
背景技术
提高光热发电技术的运行温度是提升光热发电效率，降低光热发电成本的一种有效手段。下一代光热发电技术的运行温度将从现在的560℃左右提高至700℃以上。然而，吸热器运行温度升高会引起吸热器热损失的急剧增加。例如，把吸热器出口温度从550℃提高至700℃，吸热器效率会降低6个百分点以上，这限制了光热发电效率的进一步提高。在700℃高温条件下，现有商业吸热器的辐射热损失会占据其总能量损失的60％以上。因此，降低吸热器辐射热损失对提升下一代高温光热电站整体效率、降低发电成本极为重要。开发耐高温选择性吸收涂层，提高太阳光所在短波段(0.3～2.5μm)的吸收率，同时降低热辐射所在长波段(>1μm)的发射率，是提升吸热器效率最有效的方法。纳米结构涂层采用纳米级阵列结构制造出光学陷阱，其尺寸和光的波长相近，因此可以利用等离子体共振和微腔效应等近场效应大幅提高对太阳光的吸收率。近来，金字塔型的纳米结构涂层可耐800℃高温，且光谱吸收率最高可达0.95，红外发射率低至0.1。在高温光热发电领域具有较好的应用潜力。
在具有纳米结构涂层的光热电站中，太阳光首先照射至定日镜场，通过定日镜表面反射聚集后以一定的角度照射至吸热器表面，最后被吸热器表面的纳米结构吸收。其中，定日镜的尺度为米量级(～10m)，吸热管的尺度为毫米量级(～10mm)，纳米结构的尺度在纳米量级(～100nm)，整个系统的尺度跨越了9个数量级，存在复杂的太阳光多尺度传播过程。目前，现有的吸热器光热耦合方法均是在宏观尺度构建的，无法适用于具有纳米结构表面的高温吸热器的光热耦合性能计算。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，针对现有吸热器光-热耦合计算模型存在的不足，本发明的目的在于结合蒙特卡罗光线追迹法、时域有限差分法以及有限容积法，提供一种计及近场光学效应的多尺度吸热器光热耦合性能获取方法，以指导具有纳米结构表面吸热器的高效设计与运行。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种计及近场光学效应的多尺度吸热器光热耦合性能获取方法，主要包括以下步骤：
步骤1：吸热器表面纳米结构的尺度和光的波长接近，此时光学传播遵循波动光学定律，需要考虑光子与吸热器表面纳米结构之间的近场效应。因此，采用时域有限差分法计算得到吸热器表面纳米结构对太阳光谱的短波吸收率以及在不同温度下的红外辐射长波发射率；
步骤2：对于光线在定日镜场宏观尺度(～m)的传播过程，以及在吸热管之间介观尺度(～cm)的传播过程，遵循几何光学定律，采用蒙特卡罗光线追踪法建立相应的光学传播模型；
步骤3：结合步骤1获得的吸收率和步骤2构建的光学传播模型，计算得到吸热器表面的热流密度分布，公式如下：
Figure BDA0003180228470000021
式中，q是吸热器某一网格单元的热流密度；nsunray是该网格单元吸收的光线数目；esunray是每一条光线携带的能量；Aelemem是该网格单元的面积；
步骤4：给定吸热器初始温度场和质量流量。其中，吸热器的初始温度场为均匀温度场，其值为吸热器进口温度。选择吸热器质量流量的最小值qm，min和最大值qm，max，确保最终的质量流量在该最小值和最大值之间。质量流量的初始值为(qm，min+qm，max)/2；
步骤5：根据步骤2获得的纳米结构在不同温度下的红外辐射长波发射率，计算吸热器中各吸热管外表面与环境之间的辐射换热和对流换热，其中吸热管的迎光面包括对流换热、辐射换热以及步骤2中的热流密度，背光面为绝热边界条件，计算方程如下：
迎光面：
Figure BDA0003180228470000031
背光面：
Figure BDA0003180228470000032
式中，λw是吸热管的导热率；ro是吸热管外半径；θ是吸热管周向角；T是吸热管的温度；q是吸热管外壁面的热流密度；ha是总对流换热系数；Ta是环境温度；Tw是吸热管外壁面温度；ε是步骤2计算得到的纳米结构涂层在红外波段的发射率；σ是斯忒藩-玻尔兹曼常数；Fw-a是吸热管外表面与环境之间的角系数；
步骤6：计算吸热管固体区域的导热过程，计算公式如下：
Figure BDA0003180228470000033
式中，r是吸热管内部固体区域中计算节点到吸热管中心的径向距离；y为吸热管轴向方向；本步骤计算吸热管固体区域内部的导热过程，考虑了吸热管周向、轴向和径向三个方向的导热，可较为准确获得吸热管温度分布。
步骤7：计算吸热管内壁面与传热流体的对流换热，计算公式如下：
qconv＝hsalt(Tw，in-Tsalt)
Figure BDA0003180228470000034
Figure BDA0003180228470000035
Re＝104-105，Pr＝3.3-34，μsalt/μw＝1.01-1.31
式中，qconv是熔盐传热流体与吸热管内壁的对流换热量；hsalt是熔盐传热流体与吸热管内壁面之间的对流换热系数；Tw，in是吸热管内壁面的温度；Tsalt是熔盐传热流体的温度；Nusalt为熔盐传热流体的努塞尔数；λsalt是熔盐传热流体的导热系数；din是吸热管的内直径；Re为传热流体的雷诺数；Pr为熔盐传热流体的普朗特数；μsalt为熔盐传热流体的粘度；μw为在吸热管内壁面温度下的传热流体粘度；本步骤对流换热关联式可保证传热计算结果的精准性。
步骤8：将步骤5、步骤6和步骤7中的公式进行离散求解，计算获得吸热器出口温度Tcal；
步骤9：当Tcal与设定的出口温度Tset之间的绝对差值ΔT大于允许误差，则更新吸热器流量。其具体方法为：如果Tcal＞Tset，说明质量流量选取过小，更新的质量流量为流量最大值和现有流量的平均值。此时，吸热器新的流量最小值为现有流量，最大流量依然为最大流量；如果Tcal＜Tset，说明质量流量选取过大，更新的质量流量为流量最小值和现有流量的平均值。此时，吸热器新的流量最小值依然为最小流量，最大流量为现有流量；以最新计算获得的吸热器温度场作为温度初场，回到步骤5，继续进行计算；如果ΔT小于允许误差，则计算结束。
步骤9计算结束后即可获得表面具有纳米结构的多尺度吸热器的光热耦合性能，从而指导吸热器表面纳米结构的设计，优化与筛选，以提高吸热器的光热性能。
本发明中，步骤1可在纳米尺度采用时域有限差分法计算得到纳米结构对太阳光在不同入射角度下的吸收率，并将该吸收率传递至步骤2中的蒙特卡罗光线追踪法中，实现光学传播过程的多尺度耦合。
本发明中，步骤1可在纳米尺度采用时域有限差分法计算得到纳米结构在不同温度下的法向发射率，并将该发射率传递至步骤5中，进行辐射传热的计算，实现传热过程的多尺度耦合。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、在纳米尺度采用时域有限差分法计算得到吸热器表面纳米结构对太阳光在不同入射角度下的吸收率，并将该吸收率传递至宏观蒙特卡罗光线追踪法中，实现光学传播过程的多尺度耦合，精确获得吸热器表面真实的热流密度。
2、在纳米尺度采用时域有限差分法计算得到吸热器表面纳米结构在不同温度下的法向发射率，并将该发射率传递至宏观传热模型中，进行辐射传热的计算，实现传热过程的多尺度耦合。
3、能够获得表面具有纳米结构的多尺度吸热器的光热性能，从而指导吸热器表面纳米结构的设计，优化与筛选，以提高吸热器的光热性能。
3、计算吸热管固体区域内部的导热过程，考虑了吸热管周向、轴向和径向三个方向的导热，可准确获得吸热管温度分布。
4、计算吸热管内壁与传热流体之间对流换热所采用的对流换热关联式为本团队提出的高精度传热关联式，可保证传热计算结果的精准性。
综上，本发明可以准确地预测具有纳米结构表面的吸热器在真实能流密度下的光热耦合性能，以指导下一代高温塔式光热电站中具有表面纳米结构涂层吸热器的高效设计与运行。
附图说明
图1为具有蛾眼纳米结构表面的吸热器示意图。
图2为本发明耦合计算流程图。
图3为三种典型纳米结构示意图，其中(a)为蛾眼纳米结构，(b)为金字塔纳米结构，(c)为圆锥纳米结构。
图4为三种典型纳米结构下的吸热器效率。
具体实施方式
下面结合附图，以Solar Two塔式熔盐光热电站的聚光集热系统和三种典型的纳米结构为例，包括金字塔型、圆锥型和蛾眼型，对本发明在筛选高性能的纳米结构方面的应用进行详细说明。图1为具有蛾眼纳米结构表面吸热器的示意图，其中，在吸热器1的吸热管2表面设置了蛾眼纳米结构涂层3。
如图2所示，本发明在筛选高性能的纳米结构的具体步骤如下：
首先，确定需要筛选的纳米结构的形式，图3给出了本实施案例需要筛选的现有三种典型的纳米结构，其中(a)为蛾眼纳米结构，(b)为金字塔纳米结构，(c)为圆锥纳米结构；给定纳米结构的尺寸参数，本实施案例中的三种纳米结构的高度均为353nm。构建相应的时域有限差分模型，计算获得吸热器表面纳米结构在不同太阳光入射角度下的吸收率以及不同温度下的发射率。
其次，根据所研究的Solar Two光热电站，确定定日镜场与吸热器的光学参数和几何参数。划分吸热器中吸热管网格并给定日期、时间和模拟的光线数。
再次，采用蒙特卡罗光线追踪法模拟每个光线在定日镜场和吸热器中的全部传播过程，包括光子在定日镜场中的阴影、反射和遮挡过程。进一步，结合前述获得的纳米结构吸收率，模拟光线在吸热器中的吸收、反射和重吸收过程。当模拟结束后，统计吸热管每个网格单元吸收的光线数目，以此获得吸热器表面的热流密度分布：
Figure BDA0003180228470000061
式中，q是吸热管某一网格单元的热流密度；nsunray是该网格单元吸收的光线数目；esunray是每一条光线携带的能量；Aelement是该网格单元的面积；
再次，以所获得的能流分布为热边界条件，结合上述获得的纳米结构在不同温度下的发射率，对吸热器的对流换热、辐射换热和导热过程进行计算。在本实施案例中，吸热器的进口温度为520℃，出口温度为720℃。上述传热过程的计算公式如下：
吸热管外表面的迎光面：
Figure BDA0003180228470000062
吸热管外表面的背光面：
Figure BDA0003180228470000063
吸热管固体内部的热传导：
Figure BDA0003180228470000064
吸热管与熔盐传热流体的对流换热：qconv＝hsalt(Tw，in-Tsalt)
Figure BDA0003180228470000065
Figure BDA0003180228470000066
Re＝104-105，Pr＝3.3-34，μsalt/μw＝1.01-1.31
式中，λw是吸热管的导热率；ro是吸热管外半径；θ是吸热管周向角；T是吸热管的温度；q是吸热管外壁面的热流密度；ha是总对流换热系数；Ta是环境温度；Tw是吸热管外壁面温度；ε是步骤2计算得到的纳米结构在红外波段的发射率；σ是斯忒藩-玻尔兹曼常数；Fw-a是吸热管外表面与环境之间的角系数；r是吸热管内部固体区域中计算节点到吸热管中心的径向距离；y为吸热管轴向方向；qconv是吸热管与熔盐传热流体的对流换热量；hsalt是传热流体与吸热管内壁面之间的对流换热系数；Nusalt为传热流体的努塞尔数；λsalt是传热流体的导热系数；din是吸热管的内直径；Re为传热流体的雷诺数；Pr为传热流体的普朗特数；μsalt为传热流体的粘度；μw为在吸热管内壁面温度下的传热流体粘度。
图4为三种典型纳米结构下的吸热器效率并和现有塔式光热电站使用的商业涂层的对比。由图可见，在一天之内，吸热器效率均呈现先增加后降低的变化规律，并在正午时达到峰值。同时可见，和现有商业涂层相比，三种纳米结构表面均可提高吸热器效率。其中，在表面圆锥纳米结构下的吸热器效率最高，相比现有商业涂层，吸热器效率提高了6～10个百分点。因此，在上述三种纳米结构中，通过本发明可以筛选出圆锥纳米结构能够最大限度地提高吸热器的光热耦合性能。此外，本发明还可以通过类似的步骤评估新型纳米结构对吸热器光热耦合性能的提升效果，以指导新型高效的纳米结构设计，从而提高吸热器光热耦合性能。
本发明通过结合蒙特卡罗光线追踪法，时域有限差分和有限容积法，提出了一种计及近场光学效应的多尺度吸热器光热耦合性能获取方法。本发明能够准确描述太阳光和热辐射在聚光集热系统中不同尺度的传播过程，获得多尺度吸热器的光热耦合性能，以指导下一代高温塔式光热电站中具有表面纳米结构涂层吸热器的设计优化与筛选。

Claims (6)

1.一种计及近场光学效应的多尺度吸热器光热耦合性能获取方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：采用时域有限差分法计算得到吸热器表面纳米结构对太阳光谱的短波吸收率以及在不同温度下的红外辐射长波发射率；
步骤2：对于光线在定日镜场宏观尺度即米级的传播过程，以及在吸热管之间介观尺度即厘米级的传播过程，遵循几何光学定律，采用蒙特卡罗光线追踪法建立相应的光学传播模型；
步骤3：结合步骤1获得的短波吸收率和步骤2构建的光学传播模型，计算得到吸热器表面的热流密度分布；
步骤4：给定吸热器初始温度场和质量流量，其中，吸热器的初始温度场为均匀温度场，其值为吸热器进口温度，选择吸热器质量流量的最小值qm,min和最大值qm,max，确保最终的质量流量在该最小值和最大值之间，质量流量的初始值为(qm,min+qm,max)/2；
步骤5：根据步骤1获得的吸热器表面纳米结构在不同温度下的红外辐射长波发射率，计算吸热器中各吸热管外表面与环境之间的辐射换热和对流换热，其中吸热管的迎光面包括对流换热、辐射换热以及步骤3中的热流密度，背光面为绝热边界条件；
步骤6：计算吸热管固体区域的导热过程；
步骤7：计算吸热管内壁面与传热流体的对流换热；
步骤8：根据步骤5、步骤6和步骤7，计算获得吸热器出口温度Tcal；
步骤9：当Tcal与设定的出口温度Tset之间的绝对差值ΔT大于允许误差，则更新吸热器流量。
2.根据权利要求1所述计及近场光学效应的多尺度吸热器光热耦合性能获取方法，其特征在于，所述吸热器表面纳米结构的尺度和光的波长接近，此时光学传播遵循波动光学定律，考虑了光子与吸热器表面纳米结构之间的近场效应。
3.根据权利要求1所述计及近场光学效应的多尺度吸热器光热耦合性能获取方法，其特征在于，所述步骤1在纳米尺度采用时域有限差分法计算得到纳米结构对太阳光在不同入射角度下的吸收率，并将该吸收率传递至步骤2中的蒙特卡罗光线追踪法中，实现光学传播过程的多尺度耦合。
4.根据权利要求1所述计及近场光学效应的多尺度吸热器光热耦合性能获取方法，其特征在于，所述步骤1在纳米尺度采用时域有限差分法计算得到纳米结构在不同温度下的法向发射率，并将该发射率传递至步骤5中，进行辐射传热的计算，实现传热过程的多尺度耦合。
5.根据权利要求1所述计及近场光学效应的多尺度吸热器光热耦合性能获取方法，其特征在于，所述步骤3的计算公式如下：
Figure FDA0003180228460000021
式中，q是吸热器某一网格单元的热流密度；nsunray是该网格单元吸收的光线数目；esunray是每一条光线携带的能量；Aelement是该网格单元的面积；
所述步骤5的计算方程如下：
迎光面：
Figure FDA0003180228460000022
背光面：
Figure FDA0003180228460000023
式中，λw是吸热管的导热率；ro是吸热管外半径；θ是吸热管周向角；T是吸热管的温度；q是吸热管外壁面的热流密度；ha是总对流换热系数；Ta是环境温度；Tw是吸热管外壁面温度；ε是步骤2计算得到的纳米结构涂层在红外波段的发射率；σ是斯忒藩-玻尔兹曼常数；Fw-a是吸热管外表面与环境之间的角系数；
所述步骤6的计算公式如下：
Figure FDA0003180228460000024
式中，r是吸热管内部固体区域中计算节点到吸热管中心的径向距离；y为吸热管轴向方向；
所述步骤7的计算公式如下：
qconv＝hsalt(Tw,in-Tsalt)
Figure FDA0003180228460000031
Figure FDA0003180228460000032
Re＝104-105,Pr＝3.3-34,μsalt/μw＝1.01-1.31
式中，qconv是熔盐传热流体与吸热管内壁的对流换热量；hsalt是熔盐传热流体与吸热管内壁面之间的对流换热系数；Tw,in是吸热管内壁面的温度；Tsalt是熔盐传热流体的温度；Nusalt为熔盐传热流体的努塞尔数；λsalt是熔盐传热流体的导热系数；din是吸热管的内直径；Re为传热流体的雷诺数；Pr为熔盐传热流体的普朗特数；μsalt为熔盐传热流体的粘度；μw为在吸热管内壁面温度下的传热流体粘度。
6.根据权利要求1所述计及近场光学效应的多尺度吸热器光热耦合性能获取方法，其特征在于，所述步骤9中，更新吸热器流量的具体方法为：如果Tcal>Tset，说明质量流量选取过小，更新的质量流量为流量最大值和现有流量的平均值，此时，吸热器新的流量最小值为现有流量，最大流量依然为最大流量；如果Tcal<Tset，说明质量流量选取过大，更新的质量流量为流量最小值和现有流量的平均值，此时，吸热器新的流量最小值依然为最小流量，最大流量为现有流量；以最新计算获得的吸热器温度场作为温度初场，回到步骤5，继续进行计算；如果ΔT小于允许误差，则计算结束。
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