一種多孔介質太陽能吸熱器及其設計方法與流程
2023-05-10 08:14:11 1
本發明屬於太陽能熱利用技術領域，具體涉及一種多孔介質太陽能吸熱器及其設計方法。
背景技術：
太陽能熱發電技術是目前新能源利用發展的重要技術。作為熱發電技術的關鍵組件之一，太陽能吸熱器成為了整個系統高效、穩定運行的關鍵。近年來，多孔介質太陽能吸熱器由於其突出的優勢成為了國內外的研究熱點。但是，多孔介質太陽能吸熱器的推廣依然面臨一系列的挑戰，針對太陽能吸熱器的高效、穩定運行，問題主要存在以下兩個方面：(1)太陽輻射在多孔介質內部衰減較快，體吸收效應不顯著。這使得太陽輻射能流密度集中分布在吸熱器的表面，造成表面溫度過高，輻射熱損失增大；(2)太陽輻射能流密度分布不均勻，導致吸熱器內部溫度梯度增大，從而使得吸熱器內部產生較大的熱應力，導致結構變形。
目前針對多孔介質太陽能吸熱器體吸收效應的強化和太陽輻射能流密度的均化，國內外學者展開了一定的研究。例如，A.Kribus等人研究了多孔介質幾何參數(孔隙率和孔徑)和多孔介質材料的熱導率等參數對體吸收效應的影響。Thomas Fend等人提出了一種雙層多孔介質太陽能吸熱器。該吸熱器具有前一層孔密度大，後前一層孔密度小的結構。其實驗結果表明，該種結構有利於提高吸熱器的效率。類似的雙層結構出現在Xue Chen等人的研究中。Xue Chen等人採用數值模擬的方法，研究了前一層孔隙率大後一層孔隙率小的雙層多孔介質太陽能吸熱器。模擬結果顯示，該種結構吸熱器有利於提升出口處換熱流體的溫度。以上技術採用了一種簡單結構來改善吸熱器的性能，並不能夠大幅強化體吸收效應。同時，對於吸熱器相關結構參數和物性參數的篩選也未能給出一種高效的設計方法。
技術實現要素：
針對上述研究中存在的缺陷，本發明的目的在於提供一種高吸收率、低反射率且吸熱器內部太陽輻射能流密度分布更為均勻的多孔介質太陽能吸熱器及其設計方法。從而加強太陽輻射的吸收效率、均化多孔介質太陽能吸熱器內部太陽輻射能流密度分布、強化體吸收效應。
為了達到以上目的，本發明的多孔介質太陽能吸熱器包括安裝在換熱流體流道內作為太陽輻射吸收部件的多孔介質骨架，多孔介質骨架周圍安裝有保溫隔熱材料，所述的多孔介質骨架沿太陽輻射入射方向前端孔隙率或孔徑大於後端孔隙率或孔徑，且沿太陽輻射入射方向孔隙率或孔徑從前端到後端逐漸減小。
所述的多孔介質骨架沿太陽輻射入射方向前端孔隙率或孔徑減小的速率小於後端孔隙率或孔徑減小的速率。
所述的多孔介質骨架採用均質材料合金或耐高溫陶瓷。
本發明多孔介質太陽能吸熱器的設計方法包括以下步驟：
1)給定多孔介質太陽能吸熱器非優化的幾何參數和物性參數，包括吸熱器的整體尺寸即吸熱器的長、寬、高、多孔介質的平均孔徑或多孔介質的孔隙率、多孔介質的材料種類；
2)初始化多孔介質太陽能吸熱器的孔隙率分布或孔徑分布，按多孔介質骨架的孔隙率分布或孔徑分布滿足沿太陽輻射入射方向逐漸減小的原則給定孔隙率分布或孔徑分布；
3)採用給定的孔隙率分布或孔徑分布，結合步驟1)中指定的多孔介質骨架結構參數，利用Mesut K1rca提出的多孔介質隨機重構法，重構出多孔介質的三維計算模型；
4)採用蒙特卡羅光線追蹤法，計算步驟3)中重構的多孔介質的光學特性即多孔介質的反射率、吸收率和透射率以及輻射特性即多孔介質的衰減係數，同時計算多孔介質太陽能吸熱器內部的太陽輻射能流密度分布；
5)選取吸熱器內部各處太陽輻射能流密度的標準差作為優化目標函數，並將具體標準差結果作為評價指標傳遞給遺傳算法；
6)利用遺傳算法，根據步驟5)中的評價結果，進行交叉、變異的遺傳運算，更新多孔介質的孔隙率分布或孔徑分布，重複步驟3)，4)，5)，使得太陽輻射能流密度的標準差逐漸減小，直到優化算法收斂，得到滿足優化目標的多孔介質骨架結構。
由於多孔介質的孔隙率和孔徑影響多孔介質的光學特性和輻射特性，本發明充分利用了具有不同特性的多孔介質結構。高孔隙率、大孔徑的多孔介質具有較低的衰減係數和反射率，放置在吸熱器的前端，有利於太陽輻射的透射，增強體吸收，同時減小光線的反射；低孔隙率、小孔徑的多孔介質具有較高的衰減係數，放置於吸熱器的後端，有利於減少太陽輻射的穿透，增加吸熱器整體的吸收率。採用漸變的結構，太陽輻射在多孔介質吸熱器內部不會產生突變，不會引起較大的溫度梯度，從而減小了吸熱器內部的熱應力。
本發明的設計思路在於數值算法和智能優化算法的耦合，實現兩種算法之間的數據交互和相互調用。數值算法用於重構多孔介質骨架的結構和計算評估多孔介質的性能。智能優化算法用於高效地搜尋使得吸熱器內太陽輻射能流密度均勻分布的孔隙率分布或孔徑分布。
附圖說明
圖1為本發明的結構示意圖；
圖2為本發明設計方法流程圖；
圖3為採用本發明多孔介質孔隙率分布的優化結果圖(優化目標：均化吸熱器內部太陽輻射能流密度分布)；
圖4為傳統均勻孔隙率多孔介質太陽能吸熱器與本發明多孔介質太陽能吸熱器內部太陽輻射能流密度分布(光子數分布)的對比圖；
圖中：1多孔介質骨架、2保溫隔熱材料、3換熱流體流道、4太陽輻射、5低溫換熱流體、6高溫換熱流體。
具體實施方式
下面結合附圖，以設計一種吸熱器內部太陽輻射熱流密度更為均勻的多孔介質太陽能吸熱器為例，對本發明進行詳細說明：
參見圖1，本發明包括安裝在換熱流體流道3內作為太陽輻射4吸收部件的多孔介質骨架1，多孔介質骨架1周圍安裝有保溫隔熱材料2，所述的多孔介質骨架1沿太陽輻射4入射方向(即圖中x軸方向)前端孔隙率大於後端孔隙率，且沿太陽輻射4入射方向孔隙率從前端到後端逐漸減小。其中多孔介質骨架1為整個發明設計的核心部件。多孔介質骨架1孔隙率較大的前端正對太陽輻射4，孔隙率較小的後端背對太陽輻射4。多孔介質骨架1孔隙率從前到後逐漸減小，並且前端孔隙率減小得慢，後端孔隙率減小得快。多孔介質骨架1將太陽輻射能量吸收，溫度升高。低溫換熱流體5從多孔介質骨架1的孔隙中流過並與其換熱，在多孔介質骨架1出口處達到高溫換熱流體6狀態。保溫隔熱材料2布置在多孔介質骨架1周圍，用於減少熱損失，提高效率。
如圖2所示，本發明多孔介質太陽能吸熱器的設計方法如下：
首先，確定多孔介質骨架太陽能吸熱器的非優化幾何結構參數和材料的物性參數。例如，吸熱器的長寬高各設定為1cm，多孔介質的平均孔徑設置為1mm，多孔介質的材料選為碳化矽；
其次，給定初始的多孔介質吸熱器孔隙率分布，此初始分布需要滿足孔隙率逐漸減小的特徵。例如，採用線性遞減的孔隙率分布作為初始孔隙率分布，並且將前端孔隙率設置為0.95，後端孔隙率設置為0.65。所以初始孔隙率分布可以表示為：
式中：φ(x)為沿輻射入射方向x坐標處的孔隙率；L為多孔介質沿輻射入射方向的總厚度；
接下來，採用Mesut K1rca等人提出的多孔介質隨機重構方法，以該孔隙率分布和幾何結構參數生成相應的多孔介質三維數值計算模型。
然後，利用此計算模型，採用蒙特卡羅光線追蹤(MCRT)法，計算得出該多孔介質太陽能吸熱器的光學特性(反射率、吸收率和透射率)和輻射特性(衰減係數)。同時，計算吸熱器內部太陽輻射能流密度分布。蒙特卡羅光線追蹤法的基本原理是將太陽輻射模擬成大量獨立的光子，通過統計所有光子的終態和分布，從而獲得吸熱器的性能。例如，通過計算被吸收光子的比例可以獲得材料的吸收率；通過統計光子在吸熱器內部的分布從而獲得太陽輻射能流密度在吸熱器內的分布。孔隙率線性減小的多孔介質太陽能吸熱器的光學和輻射特性匯總於表1。
表1孔隙率線性減小的多孔介質太陽能吸熱器的光學和輻射特性
接下來，計算吸熱器內部各處太陽輻射能流密度的標準差，將其作為待優化目標傳遞給遺傳算法；
遺傳算法進行交叉、變異等遺傳操作，更新孔隙率分布。新的孔隙率分布被繼續用於計算模型的構建、光學和輻射特性的計算、吸熱器內部太陽輻射能流密度的計算以及吸熱器性能的評估。一直循環該過程，直到遺傳算法收斂。最終給出內部太陽輻射能流密度最均勻的多孔介質吸熱器對應的孔隙率分布。
採用本發明的設計優化方法，得到了內部太陽輻射能流密度分布更為均勻的多孔介質太陽能吸熱器，其孔隙率分布如圖3所示。可以看出，該多孔介質太陽能吸熱器具有前端孔隙率大，後端孔隙率小，孔隙率逐漸減小、且不存在突變的特點。同時吸熱器前端孔隙率減小得慢，後端孔隙率減小得快。
表2對比了本發明提出的多孔介質太陽能吸熱器和傳統均勻孔隙率多孔介質太陽能吸熱器(孔隙率為0.8)的輻射吸收率和反射率。
表2新型多孔介質太陽能吸熱器和傳統均勻孔隙率多孔介質太陽能吸熱器輻射吸收率和反射率對比表
可以看出，本發明提出的多孔介質太陽能吸熱器具有更低的反射率和更高的吸收率，有利於減少因反射而導致輻射熱損失，保證太陽輻射的吸收效率，從而提升系統整體的效率。
圖4展示了新型多孔介質太陽能吸熱器和傳統均勻孔隙率多孔介質太陽能吸熱器內部的能流密度分布(被吸收光子數)。可以看出，相比於傳統均勻孔隙率多孔介質太陽能吸熱器，本發明提出的多孔介質太陽能吸熱器前端太陽輻射能流密度低，有利於降低吸熱器表面的溫度，減小輻射熱損失。光子透射的深度相對增加，體吸收效應增強。同時，該吸熱器內部能流密度分布更為均勻，能流密度變化梯度較平緩，有利於減小吸熱器內部的溫度梯度，減小熱應力。
本發明採用一種具有漸變孔隙率的多孔介質作為太陽能吸熱器。該吸熱器前端孔隙率大，有利於增強太陽輻射的透射，減弱太陽輻射的反射，從而降低了吸熱器表面能流密度和溫度，減少了輻射熱損失。同時，該吸熱器後端逐漸減小的孔隙率有利於增強對太陽輻射的吸收效應，強化了太陽輻射的吸收效率。孔隙率漸變的特點有利於均化太陽輻射能流密度的分布，減少因為溫度分布不均導致的熱應力。採用智能優化算法，方便對不同優化條件進行多孔介質結構的優化設計，使得本發明更具有通用性和適用性。以上優點使得該種新型多孔介質太陽能吸熱器能夠長期、高效、穩定的運行，從而提高整個太陽能熱發電系統的運行效率，保證運行安全。