太陽能吸收器

吸收器是太陽能熱發電系統的重要組成部分之一,根據對工質加熱方式的不同可分為間接吸熱式和直接吸熱式兩類。

間接吸熱式吸收器根據熱交換腔體是否密封又可分為開式和窗式兩種。

按照吸收器結構的不同又可分為管狀吸收器和熱管吸收器。

管狀太陽能吸收器的可以接收來各個方位的太陽光,對定日鏡的佈置、跟蹤要求不高,製造和加工工藝簡單,有利於太陽能的大規模利用。但是,由於其吸熱體外露於周圍環境之中,輻射熱損失較大,因此此種吸收器熱效率相對較低。等人對管狀吸收器進行過詳細的描述和研究。成功應用管狀太陽能吸收器電站是美國的塔式熱發電和玩。,用水做載熱工質,而玩。則使用了熔鹽介質。相對於管狀吸收器而言熱管吸收器可以減輕太陽能熱吸收器的質量並提高其熱力學性能,但是它的應用場合一般會受到限制,而且容易出現部分高温熱管的空載狀態、傳熱能力受到限制、換熱係數較小、換熱效果不理想等缺陷。直接吸熱式太陽能吸收器也稱空腔式吸收器,此種吸收器的特點為空腔式吸收器內表面具有凡近黑體的特性,大大提升了對入射太陽能的吸收能力,工質的流動傳熱和入射光加熱受熱面在同一表面發生,降低了對壁面材料的依賴。但是此類吸收器的光線進口往往會受到限制,在一定程度上增加了定日鏡場的佈置難度。目前空腔式吸收器的工作温度最高能夠達到1300℃左右,帶有高壓窗的吸收器壓力可達30atm。

直接吸熱式太陽能吸收器又可分為無壓腔體式和有壓腔體式兩種。為了進一步提高工質的出口温度,減小對腔體壁面材料的要求,又提出了太陽能粒子吸收器,該吸收器的換熱方式是首先讓工質在吸收器腔體中與傳熱載體分子或離子團摻混,再通過熱傳導、對流、輻射方式將這些載體所吸收的太陽輻射能轉換為工質氣體的熱能。在這種吸收器中,最高温度出現在工作流體中而不是吸收器壁面,並且由於載體微粒的換熱,工質的整體換熱效率提高了,從而提升了吸收器的性能。 ^[1] 

管式吸收器是最早提出來的吸收器模型,具有結構簡單、安裝方便、換熱能力強等優點,

它可以最大限度的接收聚焦的太陽光,有利於太陽能的大規模利用。各類管式吸收器都包括以下三個傳熱過程：

1.外部熱源太陽能與管外壁之間的換熱輻射換熱和對流換熱。

2.管外壁向內表面的導熱。

3.管內壁與工質之間的對流換熱。

管式吸收器管子排列形式主要有兩種直管式和螺旋管式。 ^[1] 

直管式吸收器的特點是各個直管並聯,通過下面的集氣管連接在一起,流體分別流經不同的直管進行流動換熱,直管圍成一個圓柱形腔體結構,其模型圖如圖1所示,為了研究方便,對直管式吸收器每根支管進行標號,由左到右分別1-20號管。從圖1中可以看出,對於圓柱形腔體結構,當孔徑比接近1.0時光學效率最高。固結構尺寸選取為各個小管的直徑為5mm,垂直長度為111mm,彎曲處半徑為14mm,管子根數為20根。內圈管子環繞半徑為95mm,外圈管子環繞半徑為123mm,各根管子之間偏轉角度為8°。為了提高計算質量,採用分區法對吸收器進行網格劃分,得到結構化網格數共計152400。 ^[1] 

螺旋管式吸收器則是將一個直管盤旋呈螺旋形狀,通過流體在管道內部流動過程中不斷改變方向增加湍流強度和引起的二次流動來達到強化換熱的目的。其模型圖見圖2所示。從圖2中得出,當孔徑比為1.5時,圓錐形腔體的光學效率能達到最大值,約90%。固選取結構尺寸為管子內徑為5mm,垂直長度為110mm,小端口環繞半徑為13mm,大端口環繞半徑為95mm。 ^[1] 

空腔式吸收器是一種可以用來驅動渦輪機組和各種高温熱化學過程的高效太陽能吸收器。空腔式吸收器中最典型的模型要數以色列魏茨曼科學研究院的Kribus等人研製的直接照射式環形加壓吸收器(DIAPR),其結構簡圖見圖3所示。在吸收器腔體內部陶瓷基底上安裝有針狀放射形吸收體,通過增大吸收換熱面積和破壞流體邊界層增加湍流流動來吸走近10倍於現行一般太陽能吸收器所能吸收的太陽熱能。實驗測得該吸收器的工質出口温度為1300℃左右,所能承受的平均輻射通量為一5000~10000Kw/m2、壓力為15~30bar,熱效率可達80%。 ^[1] 

太陽光是通過高壓玻璃窗進入到吸收器腔體內部的,因為高壓玻璃窗具有很高的光學性能,即穿透率很高,損失的能量很少。透過玻璃窗進入吸收器腔體內部的能量為Q’=Qτ，其中為Q總能量,τ為高壓窗的穿透率。

根據斯戒藩一玻爾茲曼定律的經驗修正式,在吸收器的光熱轉換過程中,吸收器內壁面加熱後所具有的輻射力與其吸收的太陽輻射能相等。

則輻射換熱方程為ξ* Ar*σ *Ts4=Q’。

ξ為吸收器內腔表面的熱輻射發射率。

Ar:為吸收器的內腔表面積。

σ為斯戒藩一玻爾茲曼常量。

Ts為經高密度的太陽輻射光能加熱後吸收器內壁面的温度。

η=（m*Cp*(Tc-Ti)）/Q.