基于多孔陶瓷的体吸收太阳能集热器性能分析

黄平瑞，周震，魏高升，杜小泽



基于多孔陶瓷的体吸收太阳能集热器性能分析

黄平瑞，周震，魏高升，杜小泽

（电站设备状态监测与控制教育部重点实验室(华北电力大学)，北京市 昌平区 102206）

体吸收型太阳能集热器是3种主要的太阳能集热器之一，具有结构简单，效率高等优点，并且出口空气温度可达800℃以上，应用前景广阔。在体吸收太阳能集热器中，采用多孔材料而不是管路来加热工质，入射辐射可以从外到内逐步进行吸收。该文基于多孔泡沫陶瓷材料构建了一个一维体吸收太阳能集热器计算模型，在此基础上，计算分析了不同参数下的温度分布情况及热辐射吸收效率。研究结果表明，随着多孔陶瓷孔隙率的降低，出口空气温度及陶瓷内部气体与固体达到稳定的深度均逐渐降低，而接收器前表面温度逐渐提高；随着孔径的下降接收器尾部气体出口温度逐渐下降，内部气体和固体达到稳定的深度逐渐减小，但由于孔径的减小使得对流换热系数显著上升，因此其前表面的温度变化并不明显。太阳能吸收效率随着空气流速的降低和入口空气温度的增大而明显提高，但随着入射辐射强度的提高而降低。

泡沫陶瓷；太阳能集热器；体吸收；数值模拟

0 引言

太阳能光热发电是先通过大面积铺设的镜场将太阳能辐射聚集，通过接收器将其收集并转化为工质(空气、熔盐等)的内能，然后再通过常规发电手段将工质的内能转换成电能的技术。相对于常规化石能源，太阳能具有储量大、容易获取、清洁环保等优点，与太阳能光伏发电相比，太阳能光热发电更清洁，在替代传统能源方面更具潜力[1-3]。聚焦式太阳能热发电(concentrating solar power，CSP)在同时解决人类能源和环境问题方面具有很大潜力，发展前景广阔，具备热能储存系统的CSP技术可提供和传统火电机组相近的调度电力和电网服务的能力，因此积极推动CSP技术的发展和技术进步意义重大[4-6]。

一座典型的聚焦式太阳能发电站主要由3个子系统构成[7-8]：太阳能镜场，太阳能接收器和能量转换系统。太阳能接收器是塔式太阳能发电三大子系统之一，通过镜场聚集的太阳辐射在接收器内转化为工质的热能，接收器的转化效率直接关系到整个机组的转化率[6, 9]。按照太阳能接收器的结构来划分，可以将其分为3类：外部受热式、空腔式和容积式[9]。其中，容积式接收器使用多孔材料代替管壁作为太阳能的吸热体来加热工质。太阳辐射从前表面射入，加热多孔介质，待加热工质(通常为空气)从多孔介质的空隙间流过从而被加热。由于吸热体为多孔材料，其多孔结构形成“容积效应”[5, 9]，即入射的辐射可以在吸收体中由外至内逐步被吸收，避免热量集中在吸热体表面造成局部高温及辐射损耗加大问题，可实现吸收体的入射表面温度低于出口流出工质温度的效果。

形成“容积效应”的关键在于容积式接收器的吸热体材料，根据吸热体材料的不同，容积式接收器可以分为2类：采用金属材料(金属网、泡沫金属)作为吸热体的容积式接收器和采用陶瓷材料(泡沫陶瓷)作为吸热体的容积式接收器。1983年，德国人Fricker等[10-11]最先提出使用金属丝网作为接收器的吸热体材料，并制造了金属丝网的接收器MK-I，功率为3kW，在1000kW/m2的辐照强度下，接收器出口气体温度达到了842℃，热效率可达70%~90%。为了进一步验证金属丝网的有效性，Winkler等[12]推出了第二代MK-II/(Sulzer1)，测试其运行效果。MK-II设计功率为2000kW，在平均入射辐射为265kW/m2条件下，工质平均出口温度为780℃，由于结构设计的不合理导致内部金属丝网过热产生了形变，运行效率只有68%。为了克服上述缺陷，采用互相盘绕的金属丝吸收体的Sulzer2诞生了，效率提升至79%，但是扭曲形变的问题任然存在。鉴于Sulzer接收器成功运行，phoebus-TSA项 目[13]得以启动，目的是为下一步115MW容量电站建设打下基础。该项目使用2.5MW的容积式接收器加上储热系统和蒸汽发生系统进行试运行，并采用空气回热系统以提升接收器效率。最终，在空气回热率为0.6，入射辐射为0.3MW/m2的条件下，接收器效率达85%，出口空气温度为700℃，能够稳定的输出480~540℃，3.5~15MPa的蒸汽。

正如上文所提到的，使用金属作为吸热体材料时，由于温度过高以及局部过热等原因，吸热体在运行过程中出现变形，严重影响了接收器的运行效率和稳定性。最终phoebus-TSA接收器的出口空气温度也只达到700℃。为了达到更高的出口温度，提升塔式热发电站的性能，需要一种能够承受更高温度，更大的温度梯度，更加耐用，更加经济的吸热体材料。与金属材料相比，陶瓷材料具有耐磨损、耐高温、抗腐蚀等诸多优势，是温度高于800℃时的首选[4]。

使用多孔陶瓷材料的容积式接收器也进行了大量的实验研究，高温接收器HiTRec 系列[14-15]，是一种模块化的容积式接收器，由一系列的六边形多孔陶瓷模块组成，模块间留有缝隙，以便安装以及部署回风。HiTREC I是该系列的第一个试验接收器，一共使用了37个SiC陶瓷模块，孔隙率49.5%，入口0.49m2。在实验过程中，出口空气温度800℃条件下，热效率达75%~80%，最大出口温度达到980℃，效率为68%，模块间温差仅为150℃。但是由于冷却系统设计不合理，接收器的钢架结构产生了形变。

在HiTRecI运行成功的基础上，升级版HiTRecII入口面积扩大到0.42m2，改进了结构设计，同时使用钢镍合金制造接收器框架。历经155h的测试，接收器未出现结构变形。在700℃出口空气温度条件下吸收效率达76%，800℃出口空气温度条件下吸收效率达72%。

为了进一步研究陶瓷种类、材质、形状的影响，紧接着又进行了SOLAIR项目[16-17]。项目分为2个阶段，分别对200kW的接收器SOLAIR 200和3MW的接收器SOLAIR3000进行了测试。SOLAIR200的测试过程中采用了3种不同的陶瓷材料进行试验，其中2种出口空气温度成功达到800℃以上，效率在74%~75%。SOLAIR 3000在前一代的基础上，使用了更多的陶瓷模块，总共由270块140mm孔隙率49.5%的SIC陶瓷正方形模块组装而成。测试过程中，在370~520kW/m2的辐照强度下，持续输出750℃的高温空气，但前表面存在较大的温差(450℃)。2006年，带有储热系统的SOLAIR3000塔式光热热发电站在德国尤利希正式筹建，并于2009年开始运行，同年4月成功向电网送电。该项目的成功已经证明SOLAIR的技术已经具备商业化的能力。

本文主要建立了一个以泡沫陶瓷为吸收体的一维温度分布计算模型，通过数值模拟探究在不同投入辐射，气体流量，陶瓷孔隙率等条件下，容积式接收器内的气体、固体温度分布以及吸收效率，最后提出了一种二级加热式的容积式接收器，并对其可行性进行了分析。

1 理论模型

图1为所构建的体吸收集热器一维物理模型。在此模型基础上，构建相应的数学模型，并做如下假设：1）陶瓷材料作为一种均匀的气固两相介质，任意截面处孔隙率和孔径为定值；2）气体为理想气体，在流动方向上任意界面处流量恒定；3）入射辐射视为平行且均匀；4）忽略重力的影响；5）固体导热系数为定值；6）吸收体(泡沫陶瓷)外壁边界视为绝热。

图1 体吸收集热器一维简化模型

这一物理问题的能量守恒方程为

式中：为空气质量流量；c为空气比热；h为空气与陶瓷材料间的体吸收对流换热系数；表示温度；下标s表示固体；f表示流体。

为了准确描述入射辐射在陶瓷内部被逐步吸收的特点，将入射辐射处理成内热源的形式()，对于固体有能量方程：

对于空气，相应的边界条件为

式中：0表示接收器外环境温度；为多孔陶瓷的厚度。前表面入口气体温度等于外界环境温度。在尾部出口时认为空气温度已经达到稳定，不再变化。

对于陶瓷固体，边界条件为

式中代表陶瓷表面发射率，在陶瓷前表面投入辐射等于陶瓷本身传热与前表面对外辐射量，未考虑空气进入陶瓷内部在入口处的对流换热影响。在尾部出口处，认为接收器背面无辐射损失。

接收器的效率定义为空气吸收的热量占前表面投入太阳辐射的总和的百分比，计算为

式中：为空气的流量；为前表面的投入辐射。

2 数值计算

要获得集热器内部的温度分布需要求解能量方程，由于采用的是一维的计算模型，因此能量方程是一个一维非线性微分方程，通过将方程离散化后转化为非线性方程，然后通过经典的牛顿迭代就可以求解出接收器内部温度分布解析解，整个计算过程通过matlab编程实现。计算过程中假设接收器入口面积为1m2的圆形，计算模型沿着水平方向均匀分为50段，取节点数51个，通过网格独立性验证表明，该划分合理。通过考虑太阳能辐射特点及多孔陶瓷的结构，计算过程中选取的基本参数如表1所示。

表1 数值计算中所选取的基本参数

空气的比热c，黏度和导热系数f随温度的变化关系如下：

泡沫陶瓷材料的衰减系数采用通过实验数据拟合到的关联式进行计算[18]：

式中：=660.40；=3599.25；=79.22。

体积对流换热系数h是在单位温差下，单位体积内的对流换热量[19-20]，定义为

3 结果与讨论

图2为基础参数条件下接收器内部气体和固体温度分布曲线。计算结果表明吸收体(泡沫陶瓷)前表面温度为929.76K，低于末端空气的出口温度1002.9K，说明在接收器内部出现了所谓的“容积效应”，在该选定条件下接收器吸收效率为83.29%。通过改变其中一个基本参数，可对不同孔径、孔隙率、空气流量以及空气入口温度条件下的接收器内部固体和气体温度分布做进一步深入分析。

图2 基础参数条件下接收器内部温度分布

图3为不同陶瓷孔隙率(70%~90%)下，接收器内部固体和气体的温度分布特性。可以看出，孔隙率的变化对接收器内部的温度分布影响显著，随着孔隙率的下降吸收体前表面的温度逐渐上升，尾部气体出口温度逐渐下降，内部气体和固体达到稳定的深度逐渐减小。由于吸收体孔隙率降低，前表面投入辐射通过孔隙进入吸收体内部的热辐射减少，大量热量集中在吸收体前表面，同时由于孔隙率下降吸收体比表面积减小，空气对流换热能力下降，更加剧了这一状况，导致前表面温度上升。孔隙率下降还导致投入辐射衰减系数上升，在吸收体内部的侵入深度减小，在入口段能量更为集中，气体温度在入口附近区域快速上升，使气体和固体温度达到稳定的深度降低。最后，由于孔隙率下降导致能量分布的重心向入口处移动，造成能量在前表面的损失上升。而气体出口温度随孔隙率降低而下降。

图3 孔隙率对接收器内部温度分布的影响

图4是在不同陶瓷孔径(2~4mm)下，接收器内部固体和气体的温度分布情况。计算结果表明随着孔径的下降吸收体前表面的温度变化不大，尾部气体出口温度逐渐下降，内部气体和固体达到稳定的深度逐渐减小。相对于孔隙率的改变，孔径的减小并不影响吸收体前表面辐射进入吸收体内部，虽然由于孔径减小造成吸收体衰减系数增大，在入口能量较为集中，但是由于孔径减小，对流换热系数增大，因此前表面以及入口段温度变化并不明显。与孔隙率类似的孔径下降导致投入辐射在吸收体内部的侵入深度减小，能量分布的重心向入口处移动，气体温度在入口附近区域快速上升，使气体和固体的温度达到稳定的深度降低，前表面的热损失上升，气体出口温度略有下降。

图4 孔径对接收器内部温度分布的影响

不同空气流量(0.5~8kg/(m2·s))，空气入口温度(297~697K)和投入辐射(400~800kW/m2)条件下，接收器内部气体和固体的温度分布如图5—7所示，当前表面投入辐射一定时，由于空气流量的上升，在尾端气体出口温度逐渐下降，同时“容积效应”也逐渐消失，但是接收器的吸收效率逐步升高，这是因为较大的流量有效降低了接收器内部的平均温度，减小了接收器与外部环境的温差，降低了接收器的能量损耗，使吸收效率逐步上升。在不同的空气入口温度条件下，由于通入辐射一定，空气入口温度提升，出口空气温度也显著提升，但是由于接收器温度上升，与外界温差增大，能量损耗上升，效率随空气入口温度上升而逐渐下降。而接收器的“容积效应”并未随空气入口温度变化而消失。同理，在不同投入辐射条件下，空气的入口温度相同，空气的出口温度随投入辐射的上升显著增加，但能量损耗也随着温度的上升而加剧，导致接收器效率随前表面投入辐射上升而下降。

李霞是在含沙射影地指责景花厂挖大发厂的人。我有点心虚。我想起阿花的狡辩之词，便有了底气。我不卑不亢地说，李课长说得对，到底是自由竞争还是在恶意猎取，谁说了都不算，如果有空，劳课长大驾去景花厂看看便知道了。我站了起来，比画着双手说，大厂有大厂的强势，小厂有小厂的优越，人才流动完全取决于员工的就业取向，决不是可以人为逆转的。李课长既然提到了自由竞争，我不妨说句实话，大发厂的优势在于工资待遇高，景花厂的优势在于工作环境好，团队精神强。如果景花厂没有优势，即使用绳子捆住员工的手脚，他们还是要跑的。

图5 空气流量对接收器内部温度分布的影响

图6 入口空气温度对接收器内部温度分布的影响

图7 投入辐射强度对接收器内部温度分布的影响

4 二级加热型容积式接收器及其性能

以上数值计算结果表明，体吸收太阳能接收器的效率受到运行工况的影响，随空气流量的增加而增加，随空气入口温度的增加而减小，随前表面投入辐射的增加而减小。通常太阳能接收器在实际运行过程中，前表面受到的投入辐射并不均匀，呈现出一种中间辐射量高，周边辐射量小的分布形式，如图8(a)所示。本文通过调整空气在高辐射区域和低辐射区域流过的先后次序，通过二级加热的形式以提高太阳能接收器的吸收效率，提出了二级加热型容积式接收器，其原理如图8(b)所示。

方案一为普通容积式集热器流程图，如图8(a)所示，空气从入口处沿接收器轴线一次性通过，并从尾部排出完成加热过程。方案二为二级加热式接收器流程图，加热器流道分为两部分，一部分是位于接收器边缘的预热区，一部分是位于接收器中心的加热区，加热段前表面覆盖石英玻璃以密封，防止泄漏，空气先由边缘的加热段进入，由边缘的低辐射区进行预热，在预热之后送至中心加热区进行二次加热。相对于方案一，相同的投入辐射与气体流量情况下，由于方案二流道一分为二，气体流量更大，在预热区可以获得更高的吸收效率，在二次加热区虽然气体入口温度更高，致使效率下降，但是由于高流量会减弱这种效果，综合考量之下，在合适的结构参数下，方案二可以获得更高的运行效率。为了验证方案二的有效性，这里对上述2种方案进行了对比分析。

图8 2种体吸收太阳能集热器方案

2种方案的接收器前表面投入辐射随径向的分布采用高斯分布进行描述，其关系式[19]为

在辐射强度为的条件下，在直径为1m的圆形区域内，受到的总辐射功率为600kW。计算过程中假设方案一接收器入口面积为1m2的圆形，方案二预热区面积为0.2m2，二次加热区面积为0.8m2。

在计算的过程中，为了简化计算过程，没有考虑由于径向温差导致的径向热量流动，沿着前表面的径向将辐射接收面划分为若干个圆环区域，按照该圆环区域内的平均投入辐射热流密度，运用第1节的一维模型进行求解，最后整个界面的气体/固体温度取各个热流密度下计算结果混合后的匀值。最终，方案一和方案二的内部温度分布如图9所示。在相同的流量与投入辐射条件下，方案一的出口空气温度为1017.6K，效率为79.74%，方案二的出口温度为1038.6K，效率为82.64%，其中预热区效率为91.58%，二次加热区效率为81.7%，可见虽然加热区入口温度更高，但是高流量减弱了其效果，最终效率仍然高于普通接收器。

而方案二对接收器吸收效率的提升具有显著的效果，但是由于方案二中空气的流道减小，通流的能量损失加大，由此造成的能耗增加依旧影响电站整体经济性，因此对于二级接收器的整体经济性还有待进一步验证。

图9 2种方案的温度分布及吸热效率

5 结论

1）随着孔隙率的下降吸收体前表面的温度逐渐上升，尾部气体出口温度逐渐下降，内部气体和固体达到稳定的深度逐渐减小。

2）随着孔径的下降接收器尾部气体出口温度逐渐下降，内部气体和固体达到稳定的深度逐渐减小，但由于孔径的减小使得对流换热系数显著上升，因此其前表面的温度变化并不明显。

3）接收器尾部气体出口温度随着前表面投入辐射的上升，空气流量的减小，空气入口温度的上升而上升，但运行效率随着前表面投入辐射的上升，空气流量的减小，空气入口温度的上升而下降。

4）二级加热形式可有效提高太阳能吸收器的吸收效率，但是由于通流的能量损失加大，由此造成的能耗增加依旧影响电站整体经济性，因此二级接收器的整体经济性还有待进一步验证。

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Performance Analysis of Volumetric Solar Receiver Based on Porous Foam Ceramics

HUANG Pingrui, ZHOU Zhen, WEI Gaosheng, DU Xiaoze

(Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment of Ministry of Education (North China Electric Power University), Changping District, Beijing 102206, China)

Volumetric solar receiver is one of three main categories of solar receivers. It has great application prospect due to the simple structure, high thermal efficiency, and the air exit temperature can reach above more than 800℃. The porous material is used instead of tube as absorber in volumetric solar receiver to heat the working medium, and the incident radiation can be absorbed gradually from outside to inside. In this study, an one-dimensional volumetric solar receiver calculating model based on porous foam ceramics is constructed. The temperature distributions and radiation absorption efficiencies at different conditions are analyzed. The results show that both the outlet air temperature and the depth for the temperature of air and ceramic solid reaching to stability decreases apparently with decrease of porosity of ceramic foam, but the temperature of front surface of the receiver increases gradually. With decrease of porous ceramic diameter, the air exit temperature decreases gradually, and the depth for the temperature of air and ceramic solid reaching to stability is decreasing, while, the diameter change has little effect on the temperature of front surface. The air exit temperature increases apparently with decrease of air flow rate and rise of inlet air temperature, and increases with increase of incident radiation intensity. The energy absorbing efficiency is decreasing with decrease of air flow rate and rise of inlet air temperature, and decreases with increase of incident radiation intensity.

foam ceramics; solar receiver; volumetric absorbing; numerical simulation

2018-04-05。

10.12096/j.2096-4528.pgt.18114

黄平瑞(1992)，男，硕士研究生，主要从事太阳能热发电等领域的研究工作，15811473718@126.com；

黄平瑞

魏高升(1975)，男，教授，博士生导师，主要从事火电机组节能，热物性测试技术，太阳能热发电等领域的研究工作，gaoshengw@126.com。

国家重点研发计划项目(2017YFB061804)。

Project Supported by National Key Research & Development Program of China (2017YFB061804).

(责任编辑 杨阳)