本發(fā)明涉及太陽能光熱發(fā)電用高溫空氣吸熱器技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種太陽能吸熱器。

背景技術(shù)：

在全球資源緊缺的形勢下，開發(fā)新能源顯得尤為重要。太陽能作為一種取之不盡的可再生清潔能源而受到廣泛關(guān)注。目前，太陽能發(fā)電方式主要分為光伏發(fā)電和光熱發(fā)電兩種形式。

太陽能熱發(fā)電技術(shù)輸出電力穩(wěn)定，易于并網(wǎng)，且對環(huán)境危害極小。其主要分為塔式、槽式、碟式等多種形式，其中塔式因熱機(jī)效率高而最具競爭力，并且已基本實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，其工作原理是利用聚光系統(tǒng)，將太陽輻射熱流匯聚到塔上的吸熱器，吸熱器吸收熱流后通過耦合換熱，加熱流過其中的工質(zhì)，加熱后的工質(zhì)進(jìn)入發(fā)電機(jī)組，產(chǎn)生電能。

吸熱器作為關(guān)鍵部件會很大程度上影響光熱系統(tǒng)的整體效率。太陽能吸熱器通常分為腔式，容積式和粒子式吸熱器。容積式太陽能吸熱器即多孔介質(zhì)吸熱器是由高孔隙率多孔介質(zhì)組成，其比表面積大，換熱效果好，并且相對于其他種類吸熱器可以達(dá)到更高的效率，所以被廣泛采用。

傳統(tǒng)的多孔介質(zhì)吸熱器通常由單一性質(zhì)的多孔介質(zhì)組成。多孔介質(zhì)材料通常由金屬或陶瓷構(gòu)成，包括編織網(wǎng)狀、堆積球顆粒、蜂窩狀、泡沫狀等。由于多孔介質(zhì)吸熱器由高吸收率非透明材料組成，熱流入射深度淺，多數(shù)熱流在入射面被吸收，易造成吸熱器前表面溫度過高，輻射損失增加，降低光熱轉(zhuǎn)換效率，產(chǎn)生熱應(yīng)力集中現(xiàn)象，影響吸熱器壽命，并且由于其工質(zhì)多為空氣，空氣受熱后密度下降，粘度增加，易產(chǎn)生流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

多孔介質(zhì)吸熱器設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于增大消光區(qū)域以提高熱流入射深度降低表面溫度，增大對流換熱系數(shù)以提高換熱效率，增大等效導(dǎo)熱率以避免局部高溫現(xiàn)象，降低流動(dòng)壓損以提高流動(dòng)穩(wěn)定性。目前傳統(tǒng)的單一性質(zhì)的多孔介質(zhì)吸熱器沒有很好的滿足以上要點(diǎn)。

為了克服現(xiàn)有傳統(tǒng)多孔介質(zhì)吸熱器的輻射損失大、流動(dòng)穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，提高光熱轉(zhuǎn)換效率，本發(fā)明提出一種通過研究多孔介質(zhì)光吸收和流動(dòng)傳熱特性，將傳統(tǒng)單一性質(zhì)多孔介質(zhì)吸熱器更改為結(jié)構(gòu)參數(shù)以及表面輻射特性參數(shù)隨入射深度變化的多孔介質(zhì)吸熱器。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：一種結(jié)構(gòu)參數(shù)和表面輻射特性參數(shù)隨深度變化的太陽能吸收器，包括保溫層、多孔介質(zhì)材料吸熱芯、導(dǎo)流通道、導(dǎo)流裝置。保溫層內(nèi)包裹有多孔介質(zhì)材料吸熱芯，吸熱芯一端為熱流入射面和工質(zhì)入口，另一端為工質(zhì)出口且連接有導(dǎo)流通道，工質(zhì)流入導(dǎo)流通道后進(jìn)入導(dǎo)流裝置，最后進(jìn)入發(fā)電機(jī)組。多孔介質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)和表面輻射特性隨入射深度發(fā)生變化。

多孔介質(zhì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括孔隙率、孔徑、棱柱截面形狀、壁厚、堆積方式等會影響其光吸收、流動(dòng)和傳熱特性。通過調(diào)控所述結(jié)構(gòu)參數(shù)可以直接影響多孔介質(zhì)的消光系數(shù)，改變?nèi)肷錈崃鞯南馍疃?，使得吸收區(qū)域發(fā)生在吸熱器內(nèi)部，進(jìn)而改變吸熱器的溫度分布，避免最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)在吸熱器表面，以降低輻射損失；通過調(diào)控所述結(jié)構(gòu)參數(shù)可以影響多孔介質(zhì)的傳熱性能，較高的等效導(dǎo)熱率可以提高固體導(dǎo)熱熱流，有效的改善局部過熱現(xiàn)象。通過調(diào)控所述結(jié)構(gòu)參數(shù)同樣也會影響吸熱器流動(dòng)特征，改變流體的對流換熱系數(shù)，影響其對流換熱效果，以及改變多孔介質(zhì)的流動(dòng)特征，降低壓損，提高流動(dòng)穩(wěn)定性。

多孔介質(zhì)表面輻射特性包括吸收率、表面選擇性涂層等會影響入射熱流的吸收過程及輻射換熱過程，吸熱器工作溫度通常在1300k左右，根據(jù)維恩位移定律，此時(shí)多孔介質(zhì)紅外波段輻射較強(qiáng)，通過降低材料的紅外波段發(fā)射率，可以有效降低吸熱器的紅外輻射損失。

所述的多孔介質(zhì)材料根據(jù)吸熱器實(shí)際工作要求，可以選金屬或陶瓷，其常用形態(tài)包括編織網(wǎng)狀、堆積球顆粒、蜂窩狀、泡沫狀等。

所述的多孔介質(zhì)材料結(jié)構(gòu)參數(shù)和表面輻射特性參數(shù)有一項(xiàng)或多項(xiàng)隨深度變化。

所述的結(jié)構(gòu)參數(shù)和表面輻射特性參數(shù)可以為梯度變化，也可為漸變。

本發(fā)明的有益效果是：多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)和表面輻射特性參數(shù)的改變使得入射熱流輻射深度增加，消光區(qū)域增大，高溫區(qū)域位于吸熱器內(nèi)部，降低表面溫度，減少輻射損失，提高吸熱器效率，并提高吸熱器流動(dòng)穩(wěn)定性，避免熱力集中現(xiàn)象。

附圖說明

本說明書包括如下附圖：

圖1是新型高效的太陽能多孔介質(zhì)吸熱器示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的碳化硅陶瓷泡沫吸熱芯結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例2的碳化硅堆積球顆粒吸熱芯結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

參照說明書附圖，對本發(fā)明做以下詳細(xì)說明。

實(shí)施例1：

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案等更加清晰，下面以碳化硅陶瓷泡沫吸熱器為實(shí)施例，進(jìn)一步理解本發(fā)明的技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)。

如圖1所示，保溫層1內(nèi)包裹多孔介質(zhì)吸熱芯2，輻射熱流6投射到多孔介質(zhì)吸熱芯2進(jìn)行加熱，冷空氣5流過多孔介質(zhì)吸熱芯2進(jìn)行換熱后得到熱空氣，經(jīng)導(dǎo)流通道3進(jìn)入導(dǎo)流裝置4。

碳化硅陶瓷泡沫受孔徑、孔隙率、棱柱形狀等結(jié)構(gòu)參數(shù)和表面發(fā)射率、表面選擇性涂層性質(zhì)等表面輻射特性參數(shù)影響較大。通過查閱文獻(xiàn)、進(jìn)行理論或?qū)嶒?yàn)研究等方法，對碳化硅陶瓷泡沫的結(jié)構(gòu)參數(shù)和表面輻射特性參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，可以改變碳化硅陶瓷泡沫的光吸收、傳熱、流動(dòng)特性。

如圖2所示，多孔介質(zhì)材料吸熱芯由結(jié)構(gòu)參數(shù)和表面輻射特性參數(shù)變化的碳化硅泡沫陶瓷組成，包括消光系數(shù)低、帶有可見光波段高吸收率和紅外波段低吸收率的選擇性涂層的碳化硅泡沫陶瓷a，高消光系數(shù)、高等效導(dǎo)熱率的碳化硅泡沫陶瓷b，低壓降特征的碳化硅泡沫陶瓷c。碳化硅泡沫陶瓷的消光系數(shù)受孔隙率和孔徑影響較大，等效導(dǎo)熱率受棱柱橫截面積影響較大，流動(dòng)壓降特征受孔徑影響較大。碳化硅泡沫陶瓷a為高孔隙率、大孔徑的碳化硅泡沫陶瓷，以實(shí)現(xiàn)較低消光系數(shù)，其棱柱表面覆蓋有選擇性涂層以得到可見光波段高吸收率和紅外波段低吸收率；碳化硅泡沫陶瓷b為孔隙率較低，棱柱橫截面積較大的碳化硅泡沫陶瓷，以實(shí)現(xiàn)高消光系數(shù)、高等效導(dǎo)熱率；碳化硅泡沫陶瓷c為孔徑較大的碳化硅泡沫陶瓷，以實(shí)現(xiàn)低壓降特征。

入射光投射到多孔介質(zhì)吸熱芯，首先部分入射光被碳化硅泡沫陶瓷a吸收，因?yàn)樘蓟枧菽沾蒩的消光系數(shù)低，所以大部分入射光得以繼續(xù)向內(nèi)入射到達(dá)碳化硅泡沫陶瓷b區(qū)域。由于碳化硅泡沫陶瓷a帶有選擇性涂層，所以被吸收的入射熱流可見光波段被很好吸收，同時(shí)由于碳化硅泡沫陶瓷a處于高溫狀態(tài)，由維恩位移定律可知，其紅外波段輻射較強(qiáng)，由于選擇性涂層的存在，其紅外輻射損失較低。入射光照射到碳化硅泡沫陶瓷b時(shí)，由于其較高的消光系數(shù)，入射光被迅速吸收完畢，此時(shí)出現(xiàn)最高溫度，由于碳化硅泡沫陶瓷b的等效熱導(dǎo)率較高，有利于降低固體溫差，避免局部過熱現(xiàn)象。碳化硅泡沫陶瓷c由于碳化硅泡沫陶瓷b的導(dǎo)熱熱流和輻射熱流而被加熱，由于空氣工質(zhì)流動(dòng)方向與入射光入射方向一致，經(jīng)過與碳化硅泡沫陶瓷a、b對流換熱后，空氣工質(zhì)已被加熱，但是依舊存在換熱溫差未達(dá)到熱平衡，由于空氣工質(zhì)被加熱后密度下降，粘度增加，易發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定情況。空氣工質(zhì)進(jìn)入碳化硅泡沫陶瓷c后，由于碳化硅泡沫陶瓷c壓降低，有利于穩(wěn)定流動(dòng)，高效換熱，使得空氣工質(zhì)到達(dá)出口時(shí)與多孔介質(zhì)達(dá)到熱平衡。

通過改變碳化硅泡沫陶瓷結(jié)構(gòu)參數(shù)和表面輻射特性參數(shù)使得入射熱流輻射深度增加，消光區(qū)域增大，高溫區(qū)域位于吸熱器內(nèi)部，減少輻射損失，同時(shí)吸熱器內(nèi)部高消光系數(shù)有利于充分吸收入射熱流，高等效熱導(dǎo)率有利于避免局部過熱問題，低壓降特性有利于提高吸熱器流動(dòng)穩(wěn)定性，提高換熱效率。

實(shí)施例2：

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案等更加清晰，下面以碳化硅堆積球顆粒吸熱器為實(shí)施例，進(jìn)一步理解本發(fā)明的技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)。

如圖1所示，保溫層1內(nèi)包裹多孔介質(zhì)吸熱芯2，輻射熱流6投射到多孔介質(zhì)吸熱芯2進(jìn)行加熱，冷空氣5流過多孔介質(zhì)吸熱芯2進(jìn)行換熱后得到熱空氣，經(jīng)導(dǎo)流通道3進(jìn)入導(dǎo)流裝置4。

碳化硅堆積球顆粒泡沫受球徑、顆粒形狀、堆積方式等結(jié)構(gòu)參數(shù)和表面發(fā)射率、表面選擇性涂層性質(zhì)等表面輻射特性參數(shù)影響較大。通過查閱文獻(xiàn)、進(jìn)行理論或?qū)嶒?yàn)研究等方法，對碳化硅球顆粒的結(jié)構(gòu)參數(shù)和表面輻射特性參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，可以改變碳化硅堆積球顆粒的光吸收、傳熱、流動(dòng)特性。

如圖3所示，多孔介質(zhì)材料吸熱芯由結(jié)構(gòu)參數(shù)和表面輻射特性參數(shù)變化的碳化硅堆積球顆粒組成，其球徑、顆粒形狀、堆積方式、表面發(fā)射率隨深度不斷變化。碳化硅堆積球顆粒的消光系數(shù)受球徑、堆積方式、顆粒表面發(fā)射率影響較大，等效導(dǎo)熱率受堆積方式，流動(dòng)壓降特征受顆粒形狀、球徑影響較大。沿深度方向，通過調(diào)節(jié)碳化硅堆積球顆粒的球徑、顆粒形狀、堆積方式，表面發(fā)射率使得其消光系數(shù)、等效導(dǎo)熱率隨深度不斷增大，壓降特性隨深度不斷減小。

入射光投射到多孔介質(zhì)吸熱芯，首先部分入射光被表面碳化硅堆積球顆粒吸收，因?yàn)楸砻娴南庀禂?shù)較低低，所以大部分入射光得以繼續(xù)向內(nèi)入射，同時(shí)，通過選擇性涂層，降低表面顆粒紅外波段發(fā)射率以降低輻射損失。隨深度增加，消光系數(shù)不斷增加，入射光被完全吸收，此時(shí)出現(xiàn)最高溫度，由于等效熱導(dǎo)率隨深度增加，有利于降低固體溫差，避免局部過熱現(xiàn)象。由于空氣工質(zhì)流動(dòng)方向與入射光入射方向一致，空氣工質(zhì)經(jīng)過與堆積球顆粒換熱后，密度下降，粘度增加，易發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定情況，由于壓降特征隨深度減小，有利于穩(wěn)定流動(dòng)，高效換熱，使得空氣工質(zhì)到達(dá)出口時(shí)與堆積球顆粒達(dá)到熱平衡。

通過改變碳化硅堆積球顆粒結(jié)構(gòu)參數(shù)和表面輻射特性參數(shù)使得入射熱流輻射深度增加，消光區(qū)域增大，高溫區(qū)域位于吸熱器內(nèi)部，減少輻射損失，同時(shí)吸熱器內(nèi)部高消光系數(shù)有利于充分吸收入射熱流，高等效熱導(dǎo)率有利于避免局部過熱問題，低壓降特性有利于提高吸熱器流動(dòng)穩(wěn)定性，提高換熱效率。

以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已。并非對本發(fā)明作任何形式上的限制；凡熟悉本專業(yè)的普通技術(shù)人員均可按說明書附圖及以上所述步驟而順暢地實(shí)施本發(fā)明；但是，凡熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，可利用以上所闡述的技術(shù)內(nèi)容而做出的些許更改、修飾與演變的等同變化，均為本發(fā)明的等效實(shí)施例；同時(shí)，凡依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施技術(shù)對以上實(shí)施例所作的任何等同變化的更動(dòng)、修飾與演變等，均屬于本發(fā)明的技術(shù)方案的保護(hù)范圍之內(nèi)。