黃圓明 王李波

摘要：當前隨著國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整步伐不斷加快，節(jié)能減排提升經(jīng)濟效益成為企業(yè)面對的重要課題。利用太陽能熱發(fā)電技術(shù)，將清潔能源重點領(lǐng)域集中在太陽能熱發(fā)電功能的優(yōu)化方面是重要的技術(shù)發(fā)展趨勢。本文對太陽能熱發(fā)電吸收器幾何設(shè)計等進行分析，提出通過建立模型的方式能夠幫助進一步改善太陽能熱發(fā)電吸熱器性能，希望能夠?qū)τ谥笇?dǎo)太陽能熱發(fā)電吸熱器優(yōu)化設(shè)計具有參考價值。

關(guān)鍵詞：塔式吸熱器;太陽能;吸熱性能

對太陽能腔式吸熱器展開熱性能實驗，主要研究其入口供熱水、體積流量、風(fēng)速參數(shù)、熱流密度等，經(jīng)過對熱性能建立模型加以論證，發(fā)現(xiàn)熱流密度整體出現(xiàn)高斯分布吸熱損失，隨著熱流量增大入口流量以及風(fēng)速等都會對太陽能吸熱性能產(chǎn)生較大影響。

1太陽能吸熱器性能概述

太陽能熱發(fā)電具有不連續(xù)性和容易受到時空分布影響等缺點，針對太陽能發(fā)電系統(tǒng)進行整體熱力性能和運行方式的研究，當前通過對吸熱器的管屏布置的改進，例如塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)以導(dǎo)熱介質(zhì)為主，進行水蒸氣吸熱，采用氣液兩相分配的模式改變了傳統(tǒng)的太陽能熱發(fā)電器的部分結(jié)構(gòu)，可以對于不連續(xù)性和熱流密度分配不均等問題加以優(yōu)化。解決氣相兩相流分配不均等問題。通過管道布置方式和幾何尺寸的優(yōu)化，由天然氣補燃裝置和汽輪機發(fā)電系統(tǒng)共同參與后，塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)能夠使得循環(huán)水產(chǎn)生受熱后的飽和蒸汽，經(jīng)過汽輪機組的轉(zhuǎn)子帶動，形成做功發(fā)電。

2塔式太陽能吸熱器系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

使用模擬實驗的方法論證太陽能吸熱器的性能，主要要確定吸熱器管道內(nèi)部的干部，溫度以及低溫分布規(guī)律。經(jīng)過參數(shù)的以兩段式塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)為例，分析其發(fā)電不連續(xù)性和受到時空分布影響等缺陷。針對腔式吸熱器發(fā)電系統(tǒng)，從吸熱器內(nèi)部管平布置角度進行了改進，提出了優(yōu)化方案。獲得參數(shù)為系統(tǒng)化設(shè)計優(yōu)化提供參照。目標是提高平均輻射熱負荷下的吸熱器平均吸收程度，有效提高吸熱吸熱器的熱效率，避免受熱嚴重不均等安全問題發(fā)生[1]。

2.1根據(jù)吸熱器的吸收原理，利用吸熱器的換熱優(yōu)勢，采用模型計算的方法，論證、計算驗證結(jié)果。針對吸熱器建立傳熱和流動模型，根據(jù)吸熱器內(nèi)不均勻輻射熱流分布確定管道布置方式和運行流程，利用計算模型確定幾何尺寸和熱力特性，采用吸熱氣設(shè)計計算方法建立模型，進行變負荷的計算，得出系統(tǒng)匹配下的相應(yīng)蒸發(fā)量，并符合范圍運行效率的參數(shù)。

結(jié)果證明，加裝合適的型管均流器，能夠?qū)⒙?lián)箱內(nèi)的氣液兩相流再分配，用于改善內(nèi)部氣液兩相流分配不均勻問題[2]。

對太陽能腔體設(shè)計，首先要利用其換熱優(yōu)勢，減少預(yù)熱蒸發(fā)吸熱器尺寸，保證其在不同聚光條件下受熱面能夠具有匹配特性。根據(jù)聯(lián)箱水動力特性進行研究發(fā)現(xiàn)，垂直上升管不能滿足受熱要求，兩相流分配不夠均勻，要提高循環(huán)倍率，就要將熱偏差較小等問題加以解決，使每根管流進高斯分布熱流密布，避免出現(xiàn)區(qū)域受熱不均的情況。根據(jù)不同的受熱，設(shè)置了不同的入口、流量和管徑，這一改進方法，使得結(jié)構(gòu)加工制造簡化。

2.2計算模型采用傳熱計算模型進行獲取。假設(shè)太陽能集熱器將輻射熱流按高斯分布透射到受熱管屏上，一面受熱，背陰面采用保溫材料隔熱，此時計算吸收器上的太陽輻射總能量計算公式為：

Ag為鏡場地面積，ki為總面積利用系數(shù)，隨著時間和季節(jié)的變化，得出的Q為定日鏡投射技術(shù)。

對于吸熱氣對流熱損失的計算公式為，

IB為流換熱總面積，Ko環(huán)境溫度，mir為硫換熱系數(shù)，P為吸熱器平均溫度。采用上述公式，能夠計算出管外壁溫度和管內(nèi)壁平均溫度，利用壓降計算模型，對管內(nèi)流體的壓降、局部壓降摩擦油，將重力壓降等進行計算，流體的摩擦壓降等表達公式計算顯示摩擦阻力、單相密度、流體摩擦阻力系數(shù)、流體流過管道長度。根據(jù)已知入口參數(shù)建立計算模型，編寫計算程序進行校核。按照計算程序得出整體熱效率，計算出實際吸熱器、出口干度和熱效率，采用計算程序進行校核，可以得出遇熱蒸發(fā)過程中的問題，不涉及假設(shè)和校核。對熱流密度和吸熱面積進行耦合計算。根據(jù)太陽能復(fù)雜性和進場布置綜合因素，按照計算程序進行校核，首先對于太陽能熱流密度非均勻分布的情況采用模擬的研究結(jié)果獲取，用于論證塔式太陽能系統(tǒng)吸熱器優(yōu)勢。然后采用模型計算的方式，對不同情況條件下受熱面的安全性和聚光溫度的匹配特性進行論證。最后根據(jù)不同的受熱設(shè)置，對熱流密度的高速分布，根據(jù)入口參數(shù)建立了計算模型，編寫計算程序并進行了校核計算[3]。根據(jù)不同環(huán)境和入口流量進行計算得出的結(jié)果用于結(jié)構(gòu)架構(gòu)簡化，在優(yōu)化設(shè)計之后吸熱器采用垂直蛇形管，吸收器腔體尺寸得到了縮小。

根據(jù)太陽能輻照強度和工質(zhì)需要的熱量，假定平均熱流密度，利用MATLAB程序擬合總吸熱面積和實際的熱流密度分布，進行管屏布置以及管徑的選擇，本模型得到的吸熱器的尺寸為寬5.5米，高5.3米，深度6.5米，總吸熱面積誤差1.56%，平均熱流密度105kw/m2，在進行太陽能腔式吸熱器系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計后證明模型方法合理，用于熱力性能評估結(jié)果準確。整體外部為圓筒形結(jié)構(gòu)，裝配有吸熱管平能夠使局部溫度降低，承受換熱期間產(chǎn)生的熱應(yīng)力，接收定日鏡投射能量受熱面熱流密度高斯分布，在吸熱器尺寸優(yōu)化后總吸收面積誤差降低，優(yōu)化設(shè)計后的太陽能吸熱器熱力性能得到大大提升。

結(jié)束語：

基于流量均勻性的要求，對太陽能高溫吸熱器進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計.基于鏡面反射定律，數(shù)值模擬分析吸熱管壁面熱流分布.施加壁面熱流邊界，計算該吸熱器的流動換熱性能.結(jié)果表明：吸熱器優(yōu)化結(jié)構(gòu)能滿足換熱工質(zhì)在吸熱細管中流動的流量要求。采用模型計算的方法，經(jīng)過計算程序計算校核，得到了吸熱器的預(yù)熱蒸發(fā)相變的計算數(shù)值，用于復(fù)雜的熱蒸汽計算，發(fā)現(xiàn)熱效率假定值和平均熱流密度有不同，因此根據(jù)熱階段不同的換熱特性以及定日鏡場聚光特性，編寫吸熱器的腔體尺寸，使得每根管流經(jīng)過高斯分布設(shè)置后，結(jié)構(gòu)制造簡化，性能更加優(yōu)化。

參考文獻：

[1]喬越.塔式太陽能吸熱器的性能優(yōu)化研究[D].華北電力大學(xué);華北電力大學(xué)（北京），2019.

[2]王磊磊，黃護林.一種太陽能吸熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能仿真[J].太陽能學(xué)報，2012，33（12）：2098-2104.

[3]王婷.兩段式塔式太陽能腔式吸熱器設(shè)計及性能優(yōu)化[D].華北電力大學(xué);華北電力大學(xué)（北京），2017.