布置螺旋管的太阳能腔式吸热器光学性能模拟

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22120

摘要/Abstract

摘要：

利用TracePro光学软件模拟了是否考虑布置螺旋管的太阳能腔式吸热器光学性能的差异，探讨了腔体内壁面的反射率及内置螺旋管的外径、螺距对吸热器光学性能的影响，并对比了4种不同形状吸热器的光学性能。结果表明：由于不能真实反映螺旋管所吸收光通量的大小，将吸热器内壁面近似为螺旋管外壁面的处理方法是不可取的；在螺距不变的情况下，腔体内壁面的反射率与内置螺旋管外表面吸收光通量的大小以及系统的光学效率成正比；当反射率小于0.8时，螺距的增加可以提高吸热器的光学性能，而当反射率超过0.8时情况则相反。对比4种不同形状的吸热器可以发现，圆台-圆柱形吸热器具有最好的光学性能，其光学效率可达85.42%。研究结果可为吸热器的设计和优化提供理论指导，并为吸热器传热性能的研究奠定基础。

关键词: 太阳能, 腔式吸热器, 螺旋管, 反射率, 光学性能

Abstract:

Using TracePro optical software, the differences in optical performance of solar cavity receivers with or without spiral tubes were simulated, and the effects of the reflectivity of inner wall of cavity and the outer diameter and pitch of the spiral tubes on the optical performance of receivers were investigated. Besides, the optical performance of four different receiver shapes were also compared. The results show that it is not proper to approximate the inner wall of the receivers as the outer surface of the spiral tubes, because this approximation cannot truly reflect the heat flux absorbed by the spiral tubes. When the pitch is constant, the reflectivity of the inner wall of the cavity is proportional to the amount of heat flux absorbed by the outer surface of the spiral tubes and the optical efficiency of the system. As the reflectivity is less than 0.8, the increase of the pitch can improve the optical performance of the receiver, while the opposite is true when the reflectivity exceeds 0.8. In addition, the truncated-cylindrical receiver has the best optical performance among the four different shapes of receivers, and its optical efficiency can reach as high as 85.42%. This research can provide theoretical guidance for the design and optimization of receivers, and lay a foundation for the analysis of heat transfer performance of receivers.

Key words: solar energy, cavity receiver, spiral tubes, reflectivity, optical performance

中图分类号:

TK 513.3

王晓文, 屠楠, 方嘉宾, 刘晓群, 王驰宇, 刘家琛. 布置螺旋管的太阳能腔式吸热器光学性能模拟[J]. 发电技术, 2023, 44(2): 221-228.

Xiaowen WANG, Nan TU, Jiabin FANG, Xiaoqun LIU, Chiyu WANG, Jiachen LIU. Simulation of Optical Performance for a Solar Cavity Receiver Arranged With Spiral Tubes[J]. Power Generation Technology, 2023, 44(2): 221-228.

图/表 13

图1 碟式太阳能聚光集热系统光学模型

Fig. 1 Optical model of dish solar concentrating heat collecting system

表1 模拟工况

Table.1 Simulation conditions

固定量	变量	数量/组
圆柱形腔体	有无螺旋管	2
2 mm螺距	螺旋管外径8~18 mm	21
12 mm螺旋管外径	螺距0~4 mm	33
1、2、3 mm螺距	腔体内壁面反射率0~1	33
0.9、0.1的腔体内壁面反射率	腔体底部无反射锥、圆锥形反射锥和球形反射锥	6
开口大小和螺旋管圈数	4种形状的腔式吸热器	4

图2 焦平面热流分布图

Fig. 2 Heat flux distribution in the focal plane

表2 不同管径下管外壁吸收太阳辐射能量及光学效率

Tab.2 Absorbed energy and optical efficiency of the cavity for different tube diameters

方法	DNI/ (W⋅m^-2)	d=8 mm		d=12 mm		d=18 mm
方法	DNI/ (W⋅m^-2)	Q_ab/W	η_opt/%	Q_ab/W	η_opt/%	Q_ab/W	η_opt/%
文献[19]	650	2 232.12	82.081	2 229.60	81.988	2 221.71	81.698
文献[19]	1 000	3 434.02	82.081	3 430.15	81.988	3 418.17	81.698
本文	650	2 219.41	81.596	2 216.63	81.494	2 198.53	80.828
本文	1 000	3 413.98	81.596	3 409.70	81.494	3 381.86	80.828

表3 有无螺旋管的腔式吸热器光学性能对比

Tab.3 Comparison of optical performance of cavity receivers with and without spiral tubes

是否有螺旋管	腔内侧面光通量/W	底面光通量/W	系统光学效率/%
无螺旋管	3 195.3	548.93	76.86
有螺旋管	3 302.1	295.72	79.43

图3 螺旋管外径对吸热器光学性能的影响

Fig. 3 Effect of outer diameters of spiral tubes on optical performances of cavity receiver

图4 螺距对吸热器光学性能的影响

Fig. 4 Effect of pitches on optical performance of cavity receiver

图5 不同螺距下内壁反射率对吸热器光学性能的影响

Fig. 5 Effect of inner wall reflectivity on optical performance of cavity receiver under different pitches

图6 不同反射率下内置螺旋管表面太阳辐射热流密度分布情况

Fig. 6 Distribution of solar radiation heat flux on built-in spiral tubes under different reflectivities

图7 不同措施对吸热器光学性能的影响

Fig. 7 Effect of different measures on optical performance of cavity receiver

图8 3种措施下螺旋管外表面太阳辐射热流密度的分布情况

Fig. 8 Distribution of solar radiation heat flux on the outer surface of the spiral tubes under three measures

图9 不同形状的腔式吸热器

Fig. 9 Cavity receivers with different shapes

图10 不同形状吸热器的光学性能

Fig. 10 Optical performance of cavity receivers with different shapes

参考文献 21

1	王志峰，何雅玲，康重庆，等．明确太阳能热发电战略定位促进技术发展[J]．华电技术，2021，43(11)：1-4．
	WANG J F， HE Y L， KANG C Q，et al ．Strategic positioning of solar thermal power generation to promote technological progress[J]．Huadian Technology，2021，43(11)：1-4．
2	张泽栋，王维，叶季蕾，等．储热型太阳能光热发电稳态功率模型[J]．发电技术，2022，43(5)：731-739． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22044
	ZHANG Z D， WANG W， YE J L，et al ．Study on steady state power model of concentrated solar power with heat storage system[J]．Power Generation Technology，2022，43(5)：731-739． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22044
3	杨国清，薛雨，姚李孝，等．光热电站并网对新能源电网运行特性的影响研究[J]．电网与清洁能源，2021，37(5)：134-139． doi:10.3969/j.issn.1674-3814.2021.05.017
	YANG G Q， XUE Y， YAO L X，et al ．A study on the influence of the connected photo-thermal power station on the operation characteristics of the new energy grid[J]．Power System and Clean Energy，2021，37(5)：134-139． doi:10.3969/j.issn.1674-3814.2021.05.017
4	林达，顾丹青，周宇昊，等．太阳能有机朗肯循环系统技术经济性分析[J]．浙江电力，2022，41(4)：14-19．
	LIN D， GU D Q， ZHOU Y H，et al ．Thermo-economic analysis of solar organic rankine cycle system[J]．Zhejiang Electric Power，2022，41(4)：14-19．
5	谢昱卓，李刚，倪杭飞．基于特征算法的塔式光热电站镜场云识别技术研究[J]．智慧电力，2021，49(11)：38-44． doi:10.3969/j.issn.1673-7598.2021.11.007
	XIE Y Z， LI G， NI H F ．Cloud recognition in heliostat field of tower concentrating solar power station based on feature algorithm[J]．Smart Power，2021，49(11)：38-44． doi:10.3969/j.issn.1673-7598.2021.11.007
6	傅旭，杨欣，汪莹，等．光热电站容量效益评估及影响因素研究[J]．电力工程技术，2021，40(3)：186-192． doi:10.12158/j.2096-3203.2021.03.028
	FU X， YANG X， WANG Y，et al ．The capacity benefit evaluation of CSP power station and its influencing factors[J]．Electric Power Engineering Technology，2021，40(3)：186-192． doi:10.12158/j.2096-3203.2021.03.028
7	KARIMI R， GHEINANI T T， AVARGANI V M ．A detailed mathematical model for thermal performance analysis of a cylindrical cavity receiver in a solar parabolic dish collector system[J]．Renewable Energy，2018，125(9)：768-782． doi:10.1016/j.renene.2018.03.015
8	SLOOTWEG M， CRAIG K J， MEYER J P ．A computational approach to simulate the optical and thermal performance of a novel complex geometry solar tower molten salt cavity receiver[J]．Solar Energy，2019，187(7)：13-29． doi:10.1016/j.solener.2019.05.003
9	UZAIR M， ANDERSON T， NATES R ．Effect of insertion of the dish on the behaviour of the convective heat loss[J]．Arabian Journal for Science and Engineering，2020，45(2)：989-1000． doi:10.1007/s13369-019-04208-8
10	RAJENDRAN D R， SUNDARAM E G， JAWAHAR P，et al ．Review on influencing parameters in the performance of concentrated solar power collector based on materials，heat transfer fluids and design[J]．Journal of Thermal Analysis and Calorimetry，2019，140(1)：1-19． doi:10.1007/s10973-019-08759-8
11	邹崇哲．太阳能热发电系统中腔体盘管吸热器设计及其传热特性研究[D]．武汉：华中科技大学，2018．
	ZOU C Z ．Study on heat-transfer characteristic of a helical cavity reicever for CSP system[D]．Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2018．
12	DAABO A M， MAHMOUD S， AL-DADAH R K ．The effect of receiver geometry on the optical performance of a small-scale solar cavity receiver for parabolic dish applications[J]．Energy，2016，114：513-525． doi:10.1016/j.energy.2016.08.025
13	SHUAI Y， XIA X， TAN H ．Radiation performance of dish solar concentrator/cavity receiver systems[J]．Solar Energy，2008，82(1)：13-21． doi:10.1016/j.solener.2007.06.005
14	SHUAI Y， WANG F Q， XIA X L，et al ．Radiative properties of a solar cavity receiver/reactor with quartz window[J]．International Journal of Hydrogen Energy，2011，36(19)：12148-12158． doi:10.1016/j.ijhydene.2011.07.013
15	XIAO H， ZHANG Y， YOU C，et al ．Effects of critical geometric parameters on the optical performance of a conical cavity receiver[J]．Frontiers in Energy，2019，13(4)． doi:10.1007/s11708-019-0630-2
16	李紫卫，阴继翔．结构参数对复合圆台形吸热器光学性能影响的研究[J]．太原理工大学学报，2018，49(5)：793-798．
	LI Z W， YIN J X ．Research on influence of structural parameters on optical properties of compound truncated cone heat absorber[J]．Journal of Taiyuan University of Technology，2018，49(5)：793-798．
17	严亮，肖刚，王诚，等．太阳能盘管腔式高温集热特性模拟与优化[J]．能源工程，2015(2)：39-44． doi:10.3969/j.issn.1004-3950.2015.02.008
	YAN L， XIAO G， WANG C，et al ．Performance simulation and optimization of a solar tube-cavity high temperature receiver[J]．Energy Engineering，2015(2)：39-44． doi:10.3969/j.issn.1004-3950.2015.02.008
18	刘亚君．槽式太阳能集热器集热管能流密度分布特性与传热流动特性研究[D]．衡阳：南华大学，2019．
	LIU Y J ．Study on flow density distribution characteristics and heat transfer flow characteristics of collecting tubes in trough solar collectors[D]．Hengyang：University of South China，2019．
19	LAN X， SONG H B， SYWA B，et al ．Optical-thermal conversion characteristics of cylindrical receiver with built-in helically coiled tubes[J]．Sustainable Energy Technologies and Assessments，2020，37：1126-1132． doi:10.1016/j.seta.2019.100626
20	JETER S M ．The distribution of concentrated solar radiation in paraboloidal collectors[J]．Journal of Solar Energy Engineering，1986，108(3)：219-225． doi:10.1115/1.3268096
21	余佳焕，彭佑多，颜健，等．吸热器二次反射锥对太阳能斯特林热机吸热性能的影响研究[J]．太阳能学报，2017，38(1)：134-139．
	YU J H， PENG Y D， YAN J，et al ． Influence of the secondary reflector cone of the heat absorber on the heat absorption performance of the solar stirling heat engine[J]．Acta Energiae Solaris Sinica，2017，38(1)：134-139．

[1]	徐立, 孙飞虎, 李钧, 张强强. 抛物面槽式太阳能集热器热损失因素研究[J]. 发电技术, 2023, 44(2): 229-234.
[2]	Mohamed ABD-HAMID, 夏龙禹, 魏高升, 崔柳, 徐超, 杜小泽. 集成相变储热材料的光伏/热复合系统性能分析[J]. 发电技术, 2023, 44(1): 53-62.
[3]	岳晓鹏, 赵兴, 闫慧琳, 樊冰冰, 黄浩, 闫路遥, 崔鹏, 马峻峰, 李美成. 基于SnO₂电子传输层的n-i-p型钙钛矿太阳能电池关键技术研究[J]. 发电技术, 2023, 44(1): 63-77.
[4]	徐运飞, 吴水木, 李英杰. 面向太阳能热发电的CaO-CO₂热化学储热技术研究进展[J]. 发电技术, 2022, 43(5): 740-747.
[5]	徐立, 孙飞虎, 李志, 张强强. 一种太阳能集热器流体平均温度计算方法[J]. 发电技术, 2022, 43(3): 405-412.
[6]	李英峰, 张涛, 张衡, 崔鹏, 付在国, 高中亮, 耿奇, 柳志晗, 朱群志, 李和兴, 李美成. 太阳能光伏光热高效综合利用技术[J]. 发电技术, 2022, 43(3): 373-391.
[7]	肖瑶, 钮文泽, 魏高升, 崔柳, 杜小泽. 太阳能光伏/光热技术研究现状与发展趋势综述[J]. 发电技术, 2022, 43(3): 392-404.
[8]	廖志荣, 李朋达, 田紫芊, 徐超, 魏高升. 非均匀翅片对级联相变储热系统热性能强化的研究[J]. 发电技术, 2022, 43(1): 83-91.
[9]	张沧洪, 屠楠, 方嘉宾. 单侧非均匀热流边界下水/蒸汽太阳能吸热管热应力研究[J]. 发电技术, 2021, 42(6): 699-706.
[10]	薛凯, 王义函, 陈衡, 徐钢, 雷兢. 槽式太阳能辅助生物质热电联产系统热力学性能分析[J]. 发电技术, 2021, 42(6): 653-664.
[11]	徐立, 孙飞虎, 李钧, 张强强. 流量对抛物面槽式太阳能集热器传热特性影响的实验分析[J]. 发电技术, 2021, 42(6): 665-672.
[12]	王立, 张智, 施瑶璐, 徐超, 孙杰. 基于数值仿真的抛物槽式太阳能集热器研究进展[J]. 发电技术, 2021, 42(6): 643-652.
[13]	刘兰华, 狄林文, 董兴万, 王瑞林. 抛物槽式聚光太阳能集热回路动态特性研究[J]. 发电技术, 2021, 42(6): 673-681.
[14]	王鼎, 陈宇轩, 肖虎, 张燕平. 采用不同传热工质的锥形腔式吸热器传热特性对比分析[J]. 发电技术, 2021, 42(6): 682-689.
[15]	孙浩, 高博, 刘建兴. 塔式太阳能电站定日镜场布局研究[J]. 发电技术, 2021, 42(6): 690-698.