探讨塔式太阳能吸热器的性能优化

黄圆明 王李波

摘要：当前随着国家能源结构的调整步伐不断加快，节能减排提升经济效益成为企业面对的重要课题。利用太阳能热发电技术，将清洁能源重点领域集中在太阳能热发电功能的优化方面是重要的技术发展趋势。本文对太阳能热发电吸收器几何设计等进行分析，提出通过建立模型的方式能够帮助进一步改善太阳能热发电吸热器性能，希望能够对于指导太阳能热发电吸热器优化设计具有参考价值。

关键词：塔式吸热器;太阳能;吸热性能

对太阳能腔式吸热器展开热性能实验，主要研究其入口供热水、体积流量、风速参数、热流密度等，经过对热性能建立模型加以论证，发现热流密度整体出现高斯分布吸热损失，随着热流量增大入口流量以及风速等都会对太阳能吸热性能产生较大影响。

1太阳能吸热器性能概述

太阳能热发电具有不连续性和容易受到时空分布影响等缺点，针对太阳能发电系统进行整体热力性能和运行方式的研究，当前通过对吸热器的管屏布置的改进，例如塔式太阳能热发电系统以导热介质为主，进行水蒸气吸热，采用气液两相分配的模式改变了传统的太阳能热发电器的部分结构，可以对于不连续性和热流密度分配不均等问题加以优化。解决气相两相流分配不均等问题。通过管道布置方式和几何尺寸的优化，由天然气补燃装置和汽轮机发电系统共同参与后，塔式太阳能热发电系统能够使得循环水产生受热后的饱和蒸汽，经过汽轮机组的转子带动，形成做功发电。

2塔式太阳能吸热器系统优化设计

使用模拟实验的方法论证太阳能吸热器的性能，主要要确定吸热器管道内部的干部，温度以及低温分布规律。经过参数的以两段式塔式太阳能热发电系统为例，分析其发电不连续性和受到时空分布影响等缺陷。针对腔式吸热器发电系统，从吸热器内部管平布置角度进行了改进，提出了优化方案。获得参数为系统化设计优化提供参照。目标是提高平均辐射热负荷下的吸热器平均吸收程度，有效提高吸热吸热器的热效率，避免受热严重不均等安全问题发生[1]。

2.1根据吸热器的吸收原理，利用吸热器的换热优势，采用模型计算的方法，论证、计算验证结果。针对吸热器建立传热和流动模型，根据吸热器内不均匀辐射热流分布确定管道布置方式和运行流程，利用计算模型确定几何尺寸和热力特性，采用吸热气设计计算方法建立模型，进行变负荷的计算，得出系统匹配下的相应蒸发量，并符合范围运行效率的参数。

结果证明，加装合适的型管均流器，能夠将联箱内的气液两相流再分配，用于改善内部气液两相流分配不均匀问题[2]。

对太阳能腔体设计，首先要利用其换热优势，减少预热蒸发吸热器尺寸，保证其在不同聚光条件下受热面能够具有匹配特性。根据联箱水动力特性进行研究发现，垂直上升管不能满足受热要求，两相流分配不够均匀，要提高循环倍率，就要将热偏差较小等问题加以解决，使每根管流进高斯分布热流密布，避免出现区域受热不均的情况。根据不同的受热，设置了不同的入口、流量和管径，这一改进方法，使得结构加工制造简化。

2.2计算模型采用传热计算模型进行获取。假设太阳能集热器将辐射热流按高斯分布透射到受热管屏上，一面受热，背阴面采用保温材料隔热，此时计算吸收器上的太阳辐射总能量计算公式为：

Ag为镜场地面积，ki为总面积利用系数，随着时间和季节的变化，得出的Q为定日镜投射技术。

对于吸热气对流热损失的计算公式为，

IB为流换热总面积，Ko环境温度，mir为硫换热系数，P为吸热器平均温度。采用上述公式，能够计算出管外壁温度和管内壁平均温度，利用压降计算模型，对管内流体的压降、局部压降摩擦油，将重力压降等进行计算，流体的摩擦压降等表达公式计算显示摩擦阻力、单相密度、流体摩擦阻力系数、流体流过管道长度。根据已知入口参数建立计算模型，编写计算程序进行校核。按照计算程序得出整体热效率，计算出实际吸热器、出口干度和热效率，采用计算程序进行校核，可以得出遇热蒸发过程中的问题，不涉及假设和校核。对热流密度和吸热面积进行耦合计算。根据太阳能复杂性和进场布置综合因素，按照计算程序进行校核，首先对于太阳能热流密度非均匀分布的情况采用模拟的研究结果获取，用于论证塔式太阳能系统吸热器优势。然后采用模型计算的方式，对不同情况条件下受热面的安全性和聚光温度的匹配特性进行论证。最后根据不同的受热设置，对热流密度的高速分布，根据入口参数建立了计算模型，编写计算程序并进行了校核计算[3]。根据不同环境和入口流量进行计算得出的结果用于结构架构简化，在优化设计之后吸热器采用垂直蛇形管，吸收器腔体尺寸得到了缩小。

根据太阳能辐照强度和工质需要的热量，假定平均热流密度，利用MATLAB程序拟合总吸热面积和实际的热流密度分布，进行管屏布置以及管径的选择，本模型得到的吸热器的尺寸为宽5.5米，高5.3米，深度6.5米，总吸热面积误差1.56%，平均热流密度105kw/m2，在进行太阳能腔式吸热器系统优化设计后证明模型方法合理，用于热力性能评估结果准确。整体外部为圆筒形结构，装配有吸热管平能够使局部温度降低，承受换热期间产生的热应力，接收定日镜投射能量受热面热流密度高斯分布，在吸热器尺寸优化后总吸收面积误差降低，优化设计后的太阳能吸热器热力性能得到大大提升。

结束语：

基于流量均匀性的要求，对太阳能高温吸热器进行结构优化设计.基于镜面反射定律，数值模拟分析吸热管壁面热流分布.施加壁面热流边界，计算该吸热器的流动换热性能.结果表明：吸热器优化结构能满足换热工质在吸热细管中流动的流量要求。采用模型计算的方法，经过计算程序计算校核，得到了吸热器的预热蒸发相变的计算数值，用于复杂的热蒸汽计算，发现热效率假定值和平均热流密度有不同，因此根据热阶段不同的换热特性以及定日镜场聚光特性，编写吸热器的腔体尺寸，使得每根管流经过高斯分布设置后，结构制造简化，性能更加优化。

参考文献：

[1]乔越.塔式太阳能吸热器的性能优化研究[D].华北电力大学;华北电力大学（北京），2019.

[2]王磊磊，黄护林.一种太阳能吸热器的结构优化及性能仿真[J].太阳能学报，2012，33（12）：2098-2104.

[3]王婷.两段式塔式太阳能腔式吸热器设计及性能优化[D].华北电力大学;华北电力大学（北京），2017.