基于多孔陶瓷的體吸收太陽能集熱器性能分析

黃平瑞，周震，魏高升，杜小澤

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基于多孔陶瓷的體吸收太陽能集熱器性能分析

黃平瑞，周震，魏高升，杜小澤

（電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室(華北電力大學)，北京市 昌平區 102206）

體吸收型太陽能集熱器是3種主要的太陽能集熱器之一，具有結構簡單，效率高等優點，并且出口空氣溫度可達800℃以上，應用前景廣闊。在體吸收太陽能集熱器中，采用多孔材料而不是管路來加熱工質，入射輻射可以從外到內逐步進行吸收。該文基于多孔泡沫陶瓷材料構建了一個一維體吸收太陽能集熱器計算模型，在此基礎上，計算分析了不同參數下的溫度分布情況及熱輻射吸收效率。研究結果表明，隨著多孔陶瓷孔隙率的降低，出口空氣溫度及陶瓷內部氣體與固體達到穩定的深度均逐漸降低，而接收器前表面溫度逐漸提高；隨著孔徑的下降接收器尾部氣體出口溫度逐漸下降，內部氣體和固體達到穩定的深度逐漸減小，但由于孔徑的減小使得對流換熱系數顯著上升，因此其前表面的溫度變化并不明顯。太陽能吸收效率隨著空氣流速的降低和入口空氣溫度的增大而明顯提高，但隨著入射輻射強度的提高而降低。

泡沫陶瓷；太陽能集熱器；體吸收；數值模擬

0 引言

太陽能光熱發電是先通過大面積鋪設的鏡場將太陽能輻射聚集，通過接收器將其收集并轉化為工質(空氣、熔鹽等)的內能，然后再通過常規發電手段將工質的內能轉換成電能的技術。相對于常規化石能源，太陽能具有儲量大、容易獲取、清潔環保等優點，與太陽能光伏發電相比，太陽能光熱發電更清潔，在替代傳統能源方面更具潛力[1-3]。聚焦式太陽能熱發電(concentrating solar power，CSP)在同時解決人類能源和環境問題方面具有很大潛力，發展前景廣闊，具備熱能儲存系統的CSP技術可提供和傳統火電機組相近的調度電力和電網服務的能力，因此積極推動CSP技術的發展和技術進步意義重大[4-6]。

一座典型的聚焦式太陽能發電站主要由3個子系統構成[7-8]：太陽能鏡場，太陽能接收器和能量轉換系統。太陽能接收器是塔式太陽能發電三大子系統之一，通過鏡場聚集的太陽輻射在接收器內轉化為工質的熱能，接收器的轉化效率直接關系到整個機組的轉化率[6, 9]。按照太陽能接收器的結構來劃分，可以將其分為3類：外部受熱式、空腔式和容積式[9]。其中，容積式接收器使用多孔材料代替管壁作為太陽能的吸熱體來加熱工質。太陽輻射從前表面射入，加熱多孔介質，待加熱工質(通常為空氣)從多孔介質的空隙間流過從而被加熱。由于吸熱體為多孔材料，其多孔結構形成“容積效應”[5, 9]，即入射的輻射可以在吸收體中由外至內逐步被吸收，避免熱量集中在吸熱體表面造成局部高溫及輻射損耗加大問題，可實現吸收體的入射表面溫度低于出口流出工質溫度的效果。

形成“容積效應”的關鍵在于容積式接收器的吸熱體材料，根據吸熱體材料的不同，容積式接收器可以分為2類：采用金屬材料(金屬網、泡沫金屬)作為吸熱體的容積式接收器和采用陶瓷材料(泡沫陶瓷)作為吸熱體的容積式接收器。1983年，德國人Fricker等[10-11]最先提出使用金屬絲網作為接收器的吸熱體材料，并制造了金屬絲網的接收器MK-I，功率為3kW，在1000kW/m2的輻照強度下，接收器出口氣體溫度達到了842℃，熱效率可達70%~90%。為了進一步驗證金屬絲網的有效性，Winkler等[12]推出了第二代MK-II/(Sulzer1)，測試其運行效果。MK-II設計功率為2000kW，在平均入射輻射為265kW/m2條件下，工質平均出口溫度為780℃，由于結構設計的不合理導致內部金屬絲網過熱產生了形變，運行效率只有68%。為了克服上述缺陷，采用互相盤繞的金屬絲吸收體的Sulzer2誕生了，效率提升至79%，但是扭曲形變的問題任然存在。鑒于Sulzer接收器成功運行，phoebus-TSA項 目[13]得以啟動，目的是為下一步115MW容量電站建設打下基礎。該項目使用2.5MW的容積式接收器加上儲熱系統和蒸汽發生系統進行試運行，并采用空氣回熱系統以提升接收器效率。最終，在空氣回熱率為0.6，入射輻射為0.3MW/m2的條件下，接收器效率達85%，出口空氣溫度為700℃，能夠穩定的輸出480~540℃，3.5~15MPa的蒸汽。

正如上文所提到的，使用金屬作為吸熱體材料時，由于溫度過高以及局部過熱等原因，吸熱體在運行過程中出現變形，嚴重影響了接收器的運行效率和穩定性。最終phoebus-TSA接收器的出口空氣溫度也只達到700℃。為了達到更高的出口溫度，提升塔式熱發電站的性能，需要一種能夠承受更高溫度，更大的溫度梯度，更加耐用，更加經濟的吸熱體材料。與金屬材料相比，陶瓷材料具有耐磨損、耐高溫、抗腐蝕等諸多優勢，是溫度高于800℃時的首選[4]。

使用多孔陶瓷材料的容積式接收器也進行了大量的實驗研究，高溫接收器HiTRec 系列[14-15]，是一種模塊化的容積式接收器，由一系列的六邊形多孔陶瓷模塊組成，模塊間留有縫隙，以便安裝以及部署回風。HiTREC I是該系列的第一個試驗接收器，一共使用了37個SiC陶瓷模塊，孔隙率49.5%，入口0.49m2。在實驗過程中，出口空氣溫度800℃條件下，熱效率達75%~80%，最大出口溫度達到980℃，效率為68%，模塊間溫差僅為150℃。但是由于冷卻系統設計不合理，接收器的鋼架結構產生了形變。

在HiTRecI運行成功的基礎上，升級版HiTRecII入口面積擴大到0.42m2，改進了結構設計，同時使用鋼鎳合金制造接收器框架。歷經155h的測試，接收器未出現結構變形。在700℃出口空氣溫度條件下吸收效率達76%，800℃出口空氣溫度條件下吸收效率達72%。

為了進一步研究陶瓷種類、材質、形狀的影響，緊接著又進行了SOLAIR項目[16-17]。項目分為2個階段，分別對200kW的接收器SOLAIR 200和3MW的接收器SOLAIR3000進行了測試。SOLAIR200的測試過程中采用了3種不同的陶瓷材料進行試驗，其中2種出口空氣溫度成功達到800℃以上，效率在74%~75%。SOLAIR 3000在前一代的基礎上，使用了更多的陶瓷模塊，總共由270塊140mm孔隙率49.5%的SIC陶瓷正方形模塊組裝而成。測試過程中，在370~520kW/m2的輻照強度下，持續輸出750℃的高溫空氣，但前表面存在較大的溫差(450℃)。2006年，帶有儲熱系統的SOLAIR3000塔式光熱熱發電站在德國尤利希正式籌建，并于2009年開始運行，同年4月成功向電網送電。該項目的成功已經證明SOLAIR的技術已經具備商業化的能力。

本文主要建立了一個以泡沫陶瓷為吸收體的一維溫度分布計算模型，通過數值模擬探究在不同投入輻射，氣體流量，陶瓷孔隙率等條件下，容積式接收器內的氣體、固體溫度分布以及吸收效率，最后提出了一種二級加熱式的容積式接收器，并對其可行性進行了分析。

1 理論模型

圖1為所構建的體吸收集熱器一維物理模型。在此模型基礎上，構建相應的數學模型，并做如下假設：1）陶瓷材料作為一種均勻的氣固兩相介質，任意截面處孔隙率和孔徑為定值；2）氣體為理想氣體，在流動方向上任意界面處流量恒定；3）入射輻射視為平行且均勻；4）忽略重力的影響；5）固體導熱系數為定值；6）吸收體(泡沫陶瓷)外壁邊界視為絕熱。

圖1 體吸收集熱器一維簡化模型

這一物理問題的能量守恒方程為

式中：為空氣質量流量；c為空氣比熱；h為空氣與陶瓷材料間的體吸收對流換熱系數；表示溫度；下標s表示固體；f表示流體。

為了準確描述入射輻射在陶瓷內部被逐步吸收的特點，將入射輻射處理成內熱源的形式()，對于固體有能量方程：

對于空氣，相應的邊界條件為

式中：0表示接收器外環境溫度；為多孔陶瓷的厚度。前表面入口氣體溫度等于外界環境溫度。在尾部出口時認為空氣溫度已經達到穩定，不再變化。

對于陶瓷固體，邊界條件為

式中代表陶瓷表面發射率，在陶瓷前表面投入輻射等于陶瓷本身傳熱與前表面對外輻射量，未考慮空氣進入陶瓷內部在入口處的對流換熱影響。在尾部出口處，認為接收器背面無輻射損失。

接收器的效率定義為空氣吸收的熱量占前表面投入太陽輻射的總和的百分比，計算為

式中：為空氣的流量；為前表面的投入輻射。

2 數值計算

要獲得集熱器內部的溫度分布需要求解能量方程，由于采用的是一維的計算模型，因此能量方程是一個一維非線性微分方程，通過將方程離散化后轉化為非線性方程，然后通過經典的牛頓迭代就可以求解出接收器內部溫度分布解析解，整個計算過程通過matlab編程實現。計算過程中假設接收器入口面積為1m2的圓形，計算模型沿著水平方向均勻分為50段，取節點數51個，通過網格獨立性驗證表明，該劃分合理。通過考慮太陽能輻射特點及多孔陶瓷的結構，計算過程中選取的基本參數如表1所示。

表1 數值計算中所選取的基本參數

空氣的比熱c，黏度和導熱系數f隨溫度的變化關系如下：

泡沫陶瓷材料的衰減系數采用通過實驗數據擬合到的關聯式進行計算[18]：

式中：=660.40；=3599.25；=79.22。

體積對流換熱系數h是在單位溫差下，單位體積內的對流換熱量[19-20]，定義為

3 結果與討論

圖2為基礎參數條件下接收器內部氣體和固體溫度分布曲線。計算結果表明吸收體(泡沫陶瓷)前表面溫度為929.76K，低于末端空氣的出口溫度1002.9K，說明在接收器內部出現了所謂的“容積效應”，在該選定條件下接收器吸收效率為83.29%。通過改變其中一個基本參數，可對不同孔徑、孔隙率、空氣流量以及空氣入口溫度條件下的接收器內部固體和氣體溫度分布做進一步深入分析。

圖2 基礎參數條件下接收器內部溫度分布

圖3為不同陶瓷孔隙率(70%~90%)下，接收器內部固體和氣體的溫度分布特性。可以看出，孔隙率的變化對接收器內部的溫度分布影響顯著，隨著孔隙率的下降吸收體前表面的溫度逐漸上升，尾部氣體出口溫度逐漸下降，內部氣體和固體達到穩定的深度逐漸減小。由于吸收體孔隙率降低，前表面投入輻射通過孔隙進入吸收體內部的熱輻射減少，大量熱量集中在吸收體前表面，同時由于孔隙率下降吸收體比表面積減小，空氣對流換熱能力下降，更加劇了這一狀況，導致前表面溫度上升。孔隙率下降還導致投入輻射衰減系數上升，在吸收體內部的侵入深度減小，在入口段能量更為集中，氣體溫度在入口附近區域快速上升，使氣體和固體溫度達到穩定的深度降低。最后，由于孔隙率下降導致能量分布的重心向入口處移動，造成能量在前表面的損失上升。而氣體出口溫度隨孔隙率降低而下降。

圖3 孔隙率對接收器內部溫度分布的影響

圖4是在不同陶瓷孔徑(2~4mm)下，接收器內部固體和氣體的溫度分布情況。計算結果表明隨著孔徑的下降吸收體前表面的溫度變化不大，尾部氣體出口溫度逐漸下降，內部氣體和固體達到穩定的深度逐漸減小。相對于孔隙率的改變，孔徑的減小并不影響吸收體前表面輻射進入吸收體內部，雖然由于孔徑減小造成吸收體衰減系數增大，在入口能量較為集中，但是由于孔徑減小，對流換熱系數增大，因此前表面以及入口段溫度變化并不明顯。與孔隙率類似的孔徑下降導致投入輻射在吸收體內部的侵入深度減小，能量分布的重心向入口處移動，氣體溫度在入口附近區域快速上升，使氣體和固體的溫度達到穩定的深度降低，前表面的熱損失上升，氣體出口溫度略有下降。

圖4 孔徑對接收器內部溫度分布的影響

不同空氣流量(0.5~8kg/(m2·s))，空氣入口溫度(297~697K)和投入輻射(400~800kW/m2)條件下，接收器內部氣體和固體的溫度分布如圖5—7所示，當前表面投入輻射一定時，由于空氣流量的上升，在尾端氣體出口溫度逐漸下降，同時“容積效應”也逐漸消失，但是接收器的吸收效率逐步升高，這是因為較大的流量有效降低了接收器內部的平均溫度，減小了接收器與外部環境的溫差，降低了接收器的能量損耗，使吸收效率逐步上升。在不同的空氣入口溫度條件下，由于通入輻射一定，空氣入口溫度提升，出口空氣溫度也顯著提升，但是由于接收器溫度上升，與外界溫差增大，能量損耗上升，效率隨空氣入口溫度上升而逐漸下降。而接收器的“容積效應”并未隨空氣入口溫度變化而消失。同理，在不同投入輻射條件下，空氣的入口溫度相同，空氣的出口溫度隨投入輻射的上升顯著增加，但能量損耗也隨著溫度的上升而加劇，導致接收器效率隨前表面投入輻射上升而下降。

李霞是在含沙射影地指責景花廠挖大發廠的人。我有點心虛。我想起阿花的狡辯之詞，便有了底氣。我不卑不亢地說，李課長說得對，到底是自由競爭還是在惡意獵取，誰說了都不算，如果有空，勞課長大駕去景花廠看看便知道了。我站了起來，比畫著雙手說，大廠有大廠的強勢，小廠有小廠的優越，人才流動完全取決于員工的就業取向，決不是可以人為逆轉的。李課長既然提到了自由競爭，我不妨說句實話，大發廠的優勢在于工資待遇高，景花廠的優勢在于工作環境好，團隊精神強。如果景花廠沒有優勢，即使用繩子捆住員工的手腳，他們還是要跑的。

圖5 空氣流量對接收器內部溫度分布的影響

圖6 入口空氣溫度對接收器內部溫度分布的影響

圖7 投入輻射強度對接收器內部溫度分布的影響

4 二級加熱型容積式接收器及其性能

以上數值計算結果表明，體吸收太陽能接收器的效率受到運行工況的影響，隨空氣流量的增加而增加，隨空氣入口溫度的增加而減小，隨前表面投入輻射的增加而減小。通常太陽能接收器在實際運行過程中，前表面受到的投入輻射并不均勻，呈現出一種中間輻射量高，周邊輻射量小的分布形式，如圖8(a)所示。本文通過調整空氣在高輻射區域和低輻射區域流過的先后次序，通過二級加熱的形式以提高太陽能接收器的吸收效率，提出了二級加熱型容積式接收器，其原理如圖8(b)所示。

方案一為普通容積式集熱器流程圖，如圖8(a)所示，空氣從入口處沿接收器軸線一次性通過，并從尾部排出完成加熱過程。方案二為二級加熱式接收器流程圖，加熱器流道分為兩部分，一部分是位于接收器邊緣的預熱區，一部分是位于接收器中心的加熱區，加熱段前表面覆蓋石英玻璃以密封，防止泄漏，空氣先由邊緣的加熱段進入，由邊緣的低輻射區進行預熱，在預熱之后送至中心加熱區進行二次加熱。相對于方案一，相同的投入輻射與氣體流量情況下，由于方案二流道一分為二，氣體流量更大，在預熱區可以獲得更高的吸收效率，在二次加熱區雖然氣體入口溫度更高，致使效率下降，但是由于高流量會減弱這種效果，綜合考量之下，在合適的結構參數下，方案二可以獲得更高的運行效率。為了驗證方案二的有效性，這里對上述2種方案進行了對比分析。

圖8 2種體吸收太陽能集熱器方案

2種方案的接收器前表面投入輻射隨徑向的分布采用高斯分布進行描述，其關系式[19]為

在輻射強度為的條件下，在直徑為1m的圓形區域內，受到的總輻射功率為600kW。計算過程中假設方案一接收器入口面積為1m2的圓形，方案二預熱區面積為0.2m2，二次加熱區面積為0.8m2。

在計算的過程中，為了簡化計算過程，沒有考慮由于徑向溫差導致的徑向熱量流動，沿著前表面的徑向將輻射接收面劃分為若干個圓環區域，按照該圓環區域內的平均投入輻射熱流密度，運用第1節的一維模型進行求解，最后整個界面的氣體/固體溫度取各個熱流密度下計算結果混合后的勻值。最終，方案一和方案二的內部溫度分布如圖9所示。在相同的流量與投入輻射條件下，方案一的出口空氣溫度為1017.6K，效率為79.74%，方案二的出口溫度為1038.6K，效率為82.64%，其中預熱區效率為91.58%，二次加熱區效率為81.7%，可見雖然加熱區入口溫度更高，但是高流量減弱了其效果，最終效率仍然高于普通接收器。

而方案二對接收器吸收效率的提升具有顯著的效果，但是由于方案二中空氣的流道減小，通流的能量損失加大，由此造成的能耗增加依舊影響電站整體經濟性，因此對于二級接收器的整體經濟性還有待進一步驗證。

圖9 2種方案的溫度分布及吸熱效率

5 結論

1）隨著孔隙率的下降吸收體前表面的溫度逐漸上升，尾部氣體出口溫度逐漸下降，內部氣體和固體達到穩定的深度逐漸減小。

2）隨著孔徑的下降接收器尾部氣體出口溫度逐漸下降，內部氣體和固體達到穩定的深度逐漸減小，但由于孔徑的減小使得對流換熱系數顯著上升，因此其前表面的溫度變化并不明顯。

3）接收器尾部氣體出口溫度隨著前表面投入輻射的上升，空氣流量的減小，空氣入口溫度的上升而上升，但運行效率隨著前表面投入輻射的上升，空氣流量的減小，空氣入口溫度的上升而下降。

4）二級加熱形式可有效提高太陽能吸收器的吸收效率，但是由于通流的能量損失加大，由此造成的能耗增加依舊影響電站整體經濟性，因此二級接收器的整體經濟性還有待進一步驗證。

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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

黃平瑞(1992)，男，碩士研究生，主要從事太陽能熱發電等領域的研究工作，15811473718@126.com；

黃平瑞

魏高升(1975)，男，教授，博士生導師，主要從事火電機組節能，熱物性測試技術，太陽能熱發電等領域的研究工作，gaoshengw@126.com。

國家重點研發計劃項目(2017YFB061804)。

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

(責任編輯 楊陽)