热管接收器尺寸对接收器性能的影响分析

2022-12-06

碟式太阳能热发电系统以其高效率, 机组的灵活性和强的环境适应能力, 发展受到越来越多人的关注, 目前该系统的研发日趋成熟, 逐步进入产业化阶段[1]。接收器的主要作用是将聚光器聚集得到的高热流密度的太阳辐射能传递给斯特林发动机的热头, 推动斯特林发动机做功, 是碟式太阳能热发电系统的关键部位, 其将聚焦得到的。接收器有直接照射型和热管型, 热管接收器不仅可以对斯特林发动机热头进行热缓冲, 而且吸热器简单的U形管结构能够达到良好的加热效果[2]。

1 热管接收器的结构

电力的供应要求持续稳定, 而太阳能不具有这个特点, 因此需要生物质能作为辅助能源, 使斯特林发动机能够得到持续的热量供应。混合式热管接收器是对原有的热管接收器进行改造, 增加燃烧系统, 使热管可以同时或交替的接受太阳能或生物质燃烧产生的热量。其基本结构如图1所示。

2接收器的数值模拟

接收器尺寸确定主要是确定接收器孔口大小和孔口位置。

1 孔口位置需要通过改变腔体深度而改变, 因聚焦后的高热流密度的太阳能由孔口进入接收器内壁面, 接收器腔体内部温度的分布受腔体深度影响较大。

2 孔口尺寸即为孔口直径。增加接收器孔口直径, 接收器对流换热损失和辐射换热损失会随之增加;降低接收器孔口直径, 聚焦得到的高热流密度的太阳辐射能无法有效的被接收器吸收, 造成热量损失。

由试验数据可知[3], 腔体内温度分布在腔体深度为90mm时达到最高;而当腔体深度超过270mm时, 热管接收器的性能有大幅度的下降。由此确定需要模拟的接收器尺寸如表1所示。

假定太阳能辐射强度为800W/m2, 模拟得到温度随腔体深度的变化, 如图2和图3。

由温度分布图可知, 腔体内温度最高点位于底部椎体反射面, 腔体深度对腔体内壁面温度分布没有明显影响, 只对腔体中间位置的温度有影响, 而在实验中, 出现热点的位置也是中间点[4]。随着腔体深度增大到262.8mm, 接收器内壁面最高温度达到836℃, 温度沿着腔体内壁面无法均匀分布。

假定太阳能辐射强度为800W/m2, 不同孔口直径下的腔体内温度分布如图4和图5。

图4腔体内壁面温度沿腔体深度分布 (d=90mm, D=180mm, H=200mm)

图5腔体内壁面温度沿腔体深度分布 (d=90mm, D=180mm, H=95.4mm)

由温度分布图可知, 当d=90mm, D=180mm, H=95.4mm时, 降低腔体深度对接收器有三方面的影响:

1腔体深度降低, 外界环境对腔体内部有较大的影响, 热量损失增加;

2 腔体深度降低, 腔体内壁面面积减少, 腔体内壁面温度过高, 容易产生热点。

3 腔体深度降低, 聚焦得到的高热流密度太阳能容易进入腔体内部并被腔体内表面吸收;

根据材料要求, 腔体内壁面温度不得超过900℃, 如果温度过高, 容易产生热点, 造成接收器的损坏。当d=90mm, D=180mm, H=200mm时, 接收器腔体内部温度分布符合要求, 因此选用模型3。

3 结论

混合式热管接收器腔体内壁面能够得到均匀的温度分布, 最大效率的利用太阳能, 是合式热管接收器设计的主要目的。所以主要目标是在接收器材料允许的温度范围内, 尽量提高腔体内壁面的平均温度, 同时避免热点的产生。

(1) 通过对不同腔体深度时腔体内温度分布的模拟结果进行分析, 最佳腔体深度为200mm, 此时系统效率提高。

(2) 混合式热管接收器孔口直径对于腔体内壁面温度分布有重要影响, 增加接收器孔口直径, 接收器对流换热损失和辐射换热损失会随之增加;降低接收器孔口直径, 聚焦得到的高热流密度的太阳辐射能无法有效的被接收器吸收, 造成热量损失。因此通过对不同的孔口直径下的模拟结果进行分析, 得到最佳孔口直径为90mm。

摘要：本文给出了一种斯特林机用的混合式热管接收器的结构设计, 以及在不同尺寸下的数值模拟结果。该接收器整体为腔式结构, 通过改变接收器孔口位置和孔口尺寸, 模拟不同条件下腔体内部温度分布, 找到最理想的接收器尺寸。

关键词：热管接收器,接收器尺寸,数值模拟