[发明专利]一种太阳能吸热器壁面热流密度均匀化装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能腔式吸热器壁面热流密度均匀化利用领域，具体涉及一种太阳能吸热器壁面热流密度均匀化装置及方法。

背景技术

太阳能吸热器作为塔式太阳能热发电系统中实现太阳辐射能转化为热能的核心部件，其性能的好坏直接影响到整个发电系统的效率和经济性。由于换热面积大、热损失小，腔式吸热器得到了广泛的应用。腔式吸热器通常只有一个开口，并且为单侧采光，所有的定日镜都将太阳能聚焦到开口处，使开口平面上阳光能流密度呈现中心高四周低的高度非均匀分布，并且极大地影响了吸热器内部吸热表面上热流密度和温度的分布，使其同样呈现高度非均匀的分布特性，因温度梯度产生的管道热应力会严重影响吸热器运行的安全可靠性。再加上太阳能吸热器非连续的工作性质，导致管道热应力频繁的加载和卸载，极易产生机械疲劳应力，严重影响吸热管的使用寿命。同时腔式吸热器蒸发受热面出口工质状态会随热流密度的变化而变化，有时为过热蒸汽，有时为汽-水混合物，有时是未饱和水,同时热流分布不均匀还会引起吸热管排回流及停滞，造成节流孔板失效不能有效调节流量分配进而导致管道过热烧蚀，这都使得吸热器工作极不稳定，对吸热器的安全运行提出严峻挑战。文献《Effect of one-target focus type on hydrodynamic characteristics of tower solar cavity receiver.Adv Mech Eng,2014,2014:615942》中有公开上述内容。

目前有两种方式来实现壁面热流密度均匀化，一种方式是通过改变吸热管内传热工质的流动形式，例如在高热流密度区增大工质的流量，或者把沸腾管布置到高热流密度区，通过较高的换热系数来降低壁温，使吸热表面温度分布得更加均匀；另一种方式是从定日镜场的角度出发，通过调整聚焦策略，例如采用多点聚焦或模糊聚焦的方式等，来降低开口平面上阳光能流密度分布的不均匀性，从而达到降低吸热表面热流密度分布不均匀性的目的。由于热应力的产生机制可知，均匀化吸热器壁面热流密度均匀化分布是降低吸热管热应力的的有效手段之一，文献《腔式太阳能吸热器的分析》中有公开上述内容(王富强、永帅、谈和平，腔式太阳能吸热器的分析[J]，工程热物理学报，2011,32(5),843-847)，上述方法都是比较间接，没有从吸热器本身出发去解决热流密度非均匀分布问题，而且具有操作比较复杂、维护费用高和维护周期长等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳能吸热器壁面热流密度均匀化装置，以解决现有塔式太阳能吸热器壁面热流密度场的分布不均匀问题，以及吸热器吸热管道面在运行过程中的热应力高，由于热应力而导致吸热管道面失效和破裂的问题，本发明可以在降低对流热损失的情况下又能使得吸热器壁面热流密度均匀化，提高整个太阳能吸热器的光热转化效率。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种太阳能吸热器壁面热流密度均匀化装置，包括吸热器，吸热器的壁面内侧设有沸腾管，吸热器的太阳光进口处设有石英玻璃窗体，吸热器的内部填充有气溶胶，吸热器的一侧设有气溶胶进口，另一侧设有气溶胶出口，吸热器的侧壁上还连接有用于保持吸热器内部压力平衡的压力平衡单元。

进一步地，气溶胶进口连接有气溶胶进料管道，气溶胶进料管道上设有进料阀，气溶胶出口连接有气溶胶出料管道，气溶胶出料管道上设有出料阀；气溶胶出口和出料阀之间设有用于收集气溶胶的收集Y型过滤器。

进一步地，吸热器顶部的壁面内侧设有波纹管。

进一步地，所述的压力平衡单元包括压力平衡管道，吸热器的侧壁上设有进气排气口，压力平衡管道的一端连接在进气排气口上，另一端连接有离心风机，离心风机和进气排气口之间依次设有安全阀、压力表以及用于防止气溶胶泄露的防漏Y型过滤器，安全阀和压力表之间设有第一进气阀，离心风机和安全阀之间设有第二进气阀。

进一步地，吸热器内部填充的气溶胶的颗粒数密度为1×10⁷-1×10¹⁶/m³，颗粒粒径为0.08-50μm。

一种太阳能吸热器壁面热流密度均匀化方法，包括以下步骤：

步骤一：在吸热器的太阳光进口处安装石英玻璃窗体；

步骤二：向吸热器中填充气溶胶，通过气溶胶中的颗粒相吸收、辐射或散射太阳光进口处的不均匀太阳能，然后均匀的辐射或反射给吸热器其它的壁面，进而实现壁面热流密度均匀化。