[发明专利]一种多孔介质太阳能吸热器的设计方法

说明书

本发明公开了一种应用于太阳能利用技术领域的多孔介质太阳能吸热器及其设计方法；多孔介质太阳能吸热器具有渐变的多孔介质骨架结构，沿太阳辐射入射方向，多孔介质前端孔隙率或孔径大于后端孔隙率或孔径，孔隙率或孔径从前到后逐渐减小，不存在突变，且减小的速率在前端较慢，后端较快。其具有辐射热损失小，能量利用率高，吸热器内部能流密度分布均匀等优势，保证了吸热器长期安全、稳定、高效的运行；本发明同时提出了一种耦合模型构建、性能评估、智能优化的新型多孔介质吸热器的设计方法，具有高效性和通用性，可用于设计结构要求不同、优化目标不同的新型多孔介质吸热器。

技术领域

本发明属于太阳能热利用技术领域，具体涉及一种多孔介质太阳能吸热器及其设计方法。

背景技术

太阳能热发电技术是目前新能源利用发展的重要技术。作为热发电技术的关键组件之一，太阳能吸热器成为了整个系统高效、稳定运行的关键。近年来，多孔介质太阳能吸热器由于其突出的优势成为了国内外的研究热点。但是，多孔介质太阳能吸热器的推广依然面临一系列的挑战，针对太阳能吸热器的高效、稳定运行，问题主要存在以下两个方面：(1)太阳辐射在多孔介质内部衰减较快，体吸收效应不显著。这使得太阳辐射能流密度集中分布在吸热器的表面，造成表面温度过高，辐射热损失增大；(2)太阳辐射能流密度分布不均匀，导致吸热器内部温度梯度增大，从而使得吸热器内部产生较大的热应力，导致结构变形。

目前针对多孔介质太阳能吸热器体吸收效应的强化和太阳辐射能流密度的均化，国内外学者展开了一定的研究。例如，A.Kribus等人研究了多孔介质几何参数(孔隙率和孔径)和多孔介质材料的热导率等参数对体吸收效应的影响。Thomas Fend等人提出了一种双层多孔介质太阳能吸热器。该吸热器具有前一层孔密度大，后前一层孔密度小的结构。其实验结果表明，该种结构有利于提高吸热器的效率。类似的双层结构出现在Xue Chen等人的研究中。Xue Chen等人采用数值模拟的方法，研究了前一层孔隙率大后一层孔隙率小的双层多孔介质太阳能吸热器。模拟结果显示，该种结构吸热器有利于提升出口处换热流体的温度。以上技术采用了一种简单结构来改善吸热器的性能，并不能够大幅强化体吸收效应。同时，对于吸热器相关结构参数和物性参数的筛选也未能给出一种高效的设计方法。

发明内容

针对上述研究中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种高吸收率、低反射率且吸热器内部太阳辐射能流密度分布更为均匀的多孔介质太阳能吸热器及其设计方法。从而加强太阳辐射的吸收效率、均化多孔介质太阳能吸热器内部太阳辐射能流密度分布、强化体吸收效应。

为了达到以上目的，本发明的多孔介质太阳能吸热器包括安装在换热流体流道内作为太阳辐射吸收部件的多孔介质骨架，多孔介质骨架周围安装有保温隔热材料，所述的多孔介质骨架沿太阳辐射入射方向前端孔隙率或孔径大于后端孔隙率或孔径，且沿太阳辐射入射方向孔隙率或孔径从前端到后端逐渐减小。

所述的多孔介质骨架沿太阳辐射入射方向前端孔隙率或孔径减小的速率小于后端孔隙率或孔径减小的速率。

所述的多孔介质骨架采用均质材料合金或耐高温陶瓷。

本发明多孔介质太阳能吸热器的设计方法包括以下步骤：

1)给定多孔介质太阳能吸热器非优化的几何参数和物性参数，包括吸热器的整体尺寸即吸热器的长、宽、高、多孔介质的平均孔径或多孔介质的孔隙率、多孔介质的材料种类；

2)初始化多孔介质太阳能吸热器的孔隙率分布或孔径分布，按多孔介质骨架的孔隙率分布或孔径分布满足沿太阳辐射入射方向逐渐减小的原则给定孔隙率分布或孔径分布；

3)采用给定的孔隙率分布或孔径分布，结合步骤1)中指定的多孔介质骨架结构参数，利用Mesut 提出的多孔介质随机重构法，重构出多孔介质的三维计算模型；