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

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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

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