探討塔式太陽(yáng)能吸熱器的性能優(yōu)化

黃圓明 王李波

摘要：當(dāng)前隨著國(guó)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(jì)效益成為企業(yè)面對(duì)的重要課題。利用太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)，將清潔能源重點(diǎn)領(lǐng)域集中在太陽(yáng)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(shì)。本文對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電吸收器幾何設(shè)計(jì)等進(jìn)行分析，提出通過(guò)建立模型的方式能夠幫助進(jìn)一步改善太陽(yáng)能熱發(fā)電吸熱器性能，希望能夠?qū)τ谥笇?dǎo)太陽(yáng)能熱發(fā)電吸熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：塔式吸熱器;太陽(yáng)能;吸熱性能

對(duì)太陽(yáng)能腔式吸熱器展開(kāi)熱性能實(shí)驗(yàn)，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(guò)對(duì)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(huì)對(duì)太陽(yáng)能吸熱性能產(chǎn)生較大影響。

1太陽(yáng)能吸熱器性能概述

太陽(yáng)能熱發(fā)電具有不連續(xù)性和容易受到時(shí)空分布影響等缺點(diǎn)，針對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行整體熱力性能和運(yùn)行方式的研究，當(dāng)前通過(guò)對(duì)吸熱器的管屏布置的改進(jìn)，例如塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)以導(dǎo)熱介質(zhì)為主，進(jìn)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(yáng)能熱發(fā)電器的部分結(jié)構(gòu)，可以對(duì)于不連續(xù)性和熱流密度分配不均等問(wèn)題加以?xún)?yōu)化。解決氣相兩相流分配不均等問(wèn)題。通過(guò)管道布置方式和幾何尺寸的優(yōu)化，由天然氣補(bǔ)燃裝置和汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)共同參與后，塔式太陽(yáng)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(guò)汽輪機(jī)組的轉(zhuǎn)子帶動(dòng)，形成做功發(fā)電。

2塔式太陽(yáng)能吸熱器系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

使用模擬實(shí)驗(yàn)的方法論證太陽(yáng)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(guò)參數(shù)的以?xún)啥问剿教?yáng)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(shí)空分布影響等缺陷。針對(duì)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(jìn)行了改進(jìn)，提出了優(yōu)化方案。獲得參數(shù)為系統(tǒng)化設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參照。目標(biāo)是提高平均輻射熱負(fù)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(yán)重不均等安全問(wèn)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(shì)，采用模型計(jì)算的方法，論證、計(jì)算驗(yàn)證結(jié)果。針對(duì)吸熱器建立傳熱和流動(dòng)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(yùn)行流程，利用計(jì)算模型確定幾何尺寸和熱力特性，采用吸熱氣設(shè)計(jì)計(jì)算方法建立模型，進(jìn)行變負(fù)荷的計(jì)算，得出系統(tǒng)匹配下的相應(yīng)蒸發(fā)量，并符合范圍運(yùn)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(wèn)題[2]。

對(duì)太陽(yáng)能腔體設(shè)計(jì)，首先要利用其換熱優(yōu)勢(shì)，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(dòng)力特性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，垂直上升管不能滿(mǎn)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(wèn)題加以解決，使每根管流進(jìn)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(jìn)方法，使得結(jié)構(gòu)加工制造簡(jiǎn)化。

2.2計(jì)算模型采用傳熱計(jì)算模型進(jìn)行獲取。假設(shè)太陽(yáng)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(shí)計(jì)算吸收器上的太陽(yáng)輻射總能量計(jì)算公式為：

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

對(duì)于吸熱氣對(duì)流熱損失的計(jì)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(jì)算出管外壁溫度和管內(nèi)壁平均溫度，利用壓降計(jì)算模型，對(duì)管內(nèi)流體的壓降、局部壓降摩擦油，將重力壓降等進(jìn)行計(jì)算，流體的摩擦壓降等表達(dá)公式計(jì)算顯示摩擦阻力、單相密度、流體摩擦阻力系數(shù)、流體流過(guò)管道長(zhǎng)度。根據(jù)已知入口參數(shù)建立計(jì)算模型，編寫(xiě)計(jì)算程序進(jìn)行校核。按照計(jì)算程序得出整體熱效率，計(jì)算出實(shí)際吸熱器、出口干度和熱效率，采用計(jì)算程序進(jìn)行校核，可以得出遇熱蒸發(fā)過(guò)程中的問(wèn)題，不涉及假設(shè)和校核。對(duì)熱流密度和吸熱面積進(jìn)行耦合計(jì)算。根據(jù)太陽(yáng)能復(fù)雜性和進(jìn)場(chǎng)布置綜合因素，按照計(jì)算程序進(jìn)行校核，首先對(duì)于太陽(yáng)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(yáng)能系統(tǒng)吸熱器優(yōu)勢(shì)。然后采用模型計(jì)算的方式，對(duì)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(jìn)行論證。最后根據(jù)不同的受熱設(shè)置，對(duì)熱流密度的高速分布，根據(jù)入口參數(shù)建立了計(jì)算模型，編寫(xiě)計(jì)算程序并進(jìn)行了校核計(jì)算[3]。根據(jù)不同環(huán)境和入口流量進(jìn)行計(jì)算得出的結(jié)果用于結(jié)構(gòu)架構(gòu)簡(jiǎn)化，在優(yōu)化設(shè)計(jì)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(yáng)能輻照強(qiáng)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(shí)際的熱流密度分布，進(jìn)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(jìn)行太陽(yáng)能腔式吸熱器系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后證明模型方法合理，用于熱力性能評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)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(jì)后的太陽(yáng)能吸熱器熱力性能得到大大提升。

結(jié)束語(yǔ)：

基于流量均勻性的要求，對(duì)太陽(yáng)能高溫吸熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).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(jì)算該吸熱器的流動(dòng)換熱性能.結(jié)果表明：吸熱器優(yōu)化結(jié)構(gòu)能滿(mǎn)足換熱工質(zhì)在吸熱細(xì)管中流動(dòng)的流量要求。采用模型計(jì)算的方法，經(jīng)過(guò)計(jì)算程序計(jì)算校核，得到了吸熱器的預(yù)熱蒸發(fā)相變的計(jì)算數(shù)值，用于復(fù)雜的熱蒸汽計(jì)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(chǎng)聚光特性，編寫(xiě)吸熱器的腔體尺寸，使得每根管流經(jīng)過(guò)高斯分布設(shè)置后，結(jié)構(gòu)制造簡(jiǎn)化，性能更加優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]喬越.塔式太陽(yáng)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(hù)林.一種太陽(yáng)能吸熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能仿真[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2012，33（12）：2098-2104.

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