太阳能热电系统吸热器涂层的优化系统及优化方法

1.本发明涉及太阳能技术领域，具体为一种太阳能热电系统吸热器涂层的优化系统及优化方法。


背景技术：

2.能源推动了人类社会的生产进步和经济繁荣。煤炭、石油、天然气等的大力开发与使用导致全球气候变化异常，环境污染日益严重。加速可再生能源技术开发，是能源结构调整的重要方向。而太阳能是一种遍布全球取之不尽用之不竭的最好的可再生能源，开发利用太阳能这种清洁、无污染的可再生能源，对于减轻目前化石能源压力、环境污染压力等具有重要意义。
3.现有太阳能热发电技术主要有4种形式，分别为塔式太阳能热发电、槽式太阳能热发电、线性菲涅尔式太阳能热发电以及碟式太阳能热发电。其中，塔式太阳能热发电技术由于聚光比大、运行温度高，可有效提高太阳能热电站整体效率，是一种极具应用前景的太阳能热发电技术。
4.吸热器是塔式太阳能热电站中实现光能向热能转换的关键设备。在电站运行过程中，成千上万的定日镜将阳光聚焦到吸热器表面，用以加热吸热管中的工质，通常吸热管表面都会涂刷一层涂层材料，用以增强吸热管对阳光的吸收，提高热效率。然而，在系统实际运行时，被聚焦到吸热器表面的太阳能流分布是非均匀的，会造成吸热器的吸热管受热不均匀和局部温度过高，从而导致换热效率低、吸热管应力过大甚至损坏吸热器，进而影响整个系统的可靠性。因此必须采取合理的策略，来优化吸热器受热面的温度分布。应该在保证吸热器接收到的能量尽可能多的前提下，使吸热器受热面的温度分布更加均匀，避免较高的局部温度和较大的温度梯度出现，以此保护吸热器，利于换热，保障系统的稳定性。
5.现有的优化吸热器表面温度分布策略的研究中，大多是针对定日镜场的瞄准策略，通过调整定日镜的指向点，来改变聚焦到吸热器上的能流分布从而影响温度分布。但是这些定日镜策略会降低吸热器的投入能量，而且对定日镜的精准度提出了较高的要求，尤其是对大规模的镜场，定日镜控制系统的成本增加的同时也需要消耗大量的计算资源。因而需要一种更简单有效的策略，来优化吸热器表面的温度分布。


技术实现要素：

6.针对以上问题，本发明提供了一种太阳能热电系统吸热器涂层的优化系统及优化方法，能够在保证吸热器接收到的能量尽可能多的前提下，使吸热器受热面的温度分布均匀，且对定日镜的控制系统精度要求低，不消耗大量计算资源增加额外的系统成本。
7.为解决上述问题，本发明提供一种太阳能热电系统吸热器涂层的优化方法，包括以下步骤：
8.s1:获取吸热器表面的能流密度分布；
9.s2:获取能流密度下的吸热器温度分布；
10.s3:根据吸热器温度分布，调整吸热器表面的超温区域的涂层覆盖策略，以降低超温区域的光学吸收率；
11.s4:获取调整涂层覆盖策略后，能流密度下对应的吸热器温度分布；
12.s5:重复步骤s3、s4直至吸热器温度分布在规定的吸热器温度范围内。
13.本发明对定日镜的控制系统精度要求低，不消耗大量计算资源增加额外的系统成本，能够在保证吸热器接收到的能量尽可能多的前提下，使吸热器受热面的温度分布均匀，避免了吸热器局部温度过高，有利于保护吸热器、提高换热效率、加强系统性能，为太阳能光热电站的运行提供参考。
14.本发明的可选技术方案中，在步骤s1前，还包括步骤s0:将定日镜聚焦到吸热器，定日镜的聚焦点为吸热器的几何中心。
15.根据该技术方案，能够保证吸热器接收到的能量尽可能多的前提下，使吸热器受热面的能流密度分布及温度分布更加均匀，避免较高的局部温度和较大的温度梯度出现，以此保护吸热器，利于换热，保障系统的稳定性。
16.本发明的可选技术方案中，步骤s1中，采用蒙特卡洛光线追踪法模拟光线在定日镜和吸热器内的传播过程，计算吸热器表面的能流密度分布。
17.根据该技术方案，通过模拟光线在定日镜和吸热器内的传播过程，使得计算得到的吸热器表面的能流密度分布更贴近实际的能流密度分布，精确度更高，提高吸热器表面能流密度分布的准确性，进而提高吸热器表面温度分布的准确性。
18.本发明的可选技术方案中，步骤s1中还包括；将吸热器的受热面进行网格化，在dni最高的时刻点，对每一面定日镜，根据几何投影和光线追踪相结合的方法，计算出dni最高的时刻下吸热器表面各网格的能流密度值，从而得到对应的能流密度分布，吸热器表面各网格能流密度值的计算公式为：
[0019][0020]
式中，q为能流密度；e为每根光线携带的能量；n为网格单元吸收的光线数目；a是该网格单元的面积；
[0021]
根据该技术方案，吸热器表面的能流密度分布更贴近实际的能流密度分布，且提高了能流密度的计算速度及精确性。
[0022]
本发明的可选技术方案中，步骤s2中，采用有限容积法，以步骤s1获得的能流密度为热边界条件，计算获得吸热器温度分布。
[0023]
根据该技术方案，有限容积法具有计算速度快的优点，能够减少大量的计算资源的消耗。
[0024]
本发明的可选技术方案中，步骤s3中，调整吸热器表面的超温区域的涂层覆盖策略包括：通过调整涂层的厚度或颜色来调节吸热器的光学吸收率。
[0025]
根据该技术方案，涂层覆盖策略的调整方式简单、易于操作，且通过改变涂层覆盖策略能够有效改变吸热器表面的温度分布，从而避免出现局部超高温，保证吸热器表面的各区域的温度在规定温度范围内。
[0026]
本发明的可选技术方案中，吸热器为以水、空气、熔融盐或超临界二氧化碳中的一种为工质的吸热器。
[0027]
根据该技术方案，本发明涂层优化方法适用于多种不同工质和不同型式的吸热器，适应性较强，适于推广使用。
[0028]
本发明的可选技术方案中，吸热器为腔式吸热器。
[0029]
根据该技术方案，腔式吸热器的高温区域未吸收的能量会在腔内反射被吸热器的低温区域被吸收，从而提高低温区域的温度，提高了吸热器的光学吸收率以及能量利用率。
[0030]
本发明另提供一种太阳能热电系统吸热器涂层的优化系统，执行上述的太阳能热电系统吸热器涂层的优化方法。
附图说明
[0031]
图1为本发明实施方式中太阳能热电系统吸热器涂层的优化方法示意图。
[0032]
图2为本发明实施方式中吸热器的结构示意图。
[0033]
图3为本发明实施方式中调整涂层覆盖策略前的吸热管表面涂层覆盖示意图。
[0034]
图4为本发明实施方式中调整涂层覆盖策略前的能流密度分布示意图。
[0035]
图5为本发明实施方式中吸热管表面的网格单元划分示意图。
[0036]
图6为本发明实施方式中调整涂层覆盖策略前的温度分布示意图。
[0037]
图7为本发明实施方式中调整涂层覆盖策略后的吸热管表面涂层覆盖示意图。
[0038]
图8为本发明实施方式中调整涂层覆盖策略后的温度分布示意图。
[0039]
附图标记：
[0040]
腔式吸热器1；进口联箱11；出口联箱12；采光口联箱13；吸热管14；保温层15。
具体实施方式
[0041]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0042]
请参阅图1所示，本发明提供一种太阳能热电系统吸热器涂层的优化方法，包括以下步骤：
[0043]
s1:获取吸热器表面的能流密度分布；
[0044]
s2:获取能流密度下的吸热器温度分布；
[0045]
s3:根据吸热器温度分布，调整吸热器表面的超温区域的涂层覆盖策略，以降低超温区域的光学吸收率；
[0046]
s4:获取调整涂层覆盖策略后，能流密度下对应的吸热器温度分布；
[0047]
s5:重复步骤s3、s4直至吸热器温度分布在规定的吸热器温度范围内。
[0048]
本发明对定日镜的控制系统精度要求低，不消耗大量计算资源增加额外的系统成本，能够在保证吸热器接收到的能量尽可能多的前提下，使吸热器受热面的温度分布均匀，避免了吸热器局部温度过高，有利于保护吸热器、提高换热效率、加强系统性能，为太阳能光热电站的运行提供参考。
[0049]
本发明的优选实施方式中，在步骤s1前，还包括步骤s0:将定日镜聚焦到吸热器，定日镜的聚焦点为吸热器的几何中心。
[0050]
通过上述方式，能够保证吸热器接收到的能量尽可能多的前提下，使吸热器受热面的能流密度分布及温度分布更加均匀，避免较高的局部温度和较大的温度梯度出现，以此保护吸热器，利于换热，保障系统的稳定性。
[0051]
本发明的优选实施方式中，吸热器为腔式吸热器1。腔式吸热器1的高温区域未吸收的能量会在腔内反射被吸热器的低温区域被吸收，从而提高低温区域的温度，提高了吸热器的光学吸收率以及能量利用率。步骤s0中，将定日镜聚焦到吸热器采光口，聚焦点选择采光口的几何中心。进一步地，如图2所示，腔式吸热器1包括进口联箱11、出口联箱12、采光口联箱13、吸热管14及保温层15，腔式吸热器1的结构为本领域的常见应用形式，在此不再赘述。图3所示为调整涂层覆盖策略前的吸热管表面涂层覆盖示意图，各吸热管均匀涂刷涂层，其中虚线圆圈起来的区域为超温区域。
[0052]
本发明的优选实施方式中，步骤s1中，采用蒙特卡洛光线追踪法模拟光线在定日镜和吸热器内的传播过程，计算吸热器表面的能流密度分布。
[0053]
通过上述方式，通过模拟光线在定日镜和吸热器内的传播过程，使得计算得到的吸热器表面的能流密度分布更贴近实际的能流密度分布，精确度更高，提高吸热器表面能流密度分布的准确性，进而提高吸热器表面温度分布的准确性。
[0054]
本发明的优选实施方式中，步骤s1中还包括；将吸热器的受热面进行网格化，在dni(太阳直接辐射，directnormalirradiance)最高的时刻点，对每一面定日镜，根据几何投影和光线追踪相结合的方法，计算出dni最高的时刻下吸热器表面各网格的能流密度值，从而得到对应的能流密度分布，吸热器表面各网格能流密度值的计算公式如式(1)所示：
[0055][0056]
式中，q为能流密度；e为每根光线携带的能量；n为网格单元吸收的光线数目；a是该网格单元的面积；
[0057]
通过上述方式，吸热器表面的能流密度分布更贴近实际的能流密度分布，且提高了能流密度的计算速度及精确性。
[0058]
具体地，将吸热器的受热面进行网格化，形成(如，r x l)个网格，r为周向网格数，l为径向网格数。在dni最高时刻点，根据几何投影和光线追踪相结合的方法，在matlab中计算出某一面定日镜聚焦到吸热器受热面各网格的能流密度值，从而得到对应的能流密度矩阵。重复这一过程，直到得到所有定日镜的产生的能流密度矩阵。将所有定日镜产生的能流密度矩阵相加，就是整个定日镜场在吸热器受热面上的能流密度矩阵，以此作为吸热器热力学计算的依据和基础。在其它的一些实施例中，也可以采用其它方法计算能流密度，本发明对能流密度的获取方式不做限定。如图4所示为本发明实施方式中调整涂层覆盖策略前的能流密度分布示意图。吸热器两侧壁面(图中虚线矩形框圈起来的位置)的能流分布最集中，且能流密度值较高。
[0059]
本发明的优选实施方式中，步骤s2中，采用有限容积法，以步骤s1获得的能流密度为热边界条件，计算获得吸热器温度分布。有限容积法具有计算速度快的优点，能够减少大量的计算资源的消耗。
[0060]
具体地，吸热器由吸热管排组成，而吸热管排由吸热管14组成，计算完成后，即可得到吸热器各吸热管14中的最高温区域；有限容积法求解吸热器温度分布可以借助商业
cfd软件包fluent实现，或通过自编程的方法实现；当采用fluent计算时，在步骤s1中获得的能流密度分布通过用户自定义方程导入有限容积法模型，湍流模型采用标准的k-ε模型。当采用自编程时，吸热管14外表面的网格划分在步骤s1和步骤s2中保持一致，在步骤s1中获得的能流密度分布直接赋值给步骤s2中的网格。
[0061]
对于fluent计算方法，该方法通过直接求解纳维-斯托克斯方程获得吸热器的流动传热性能，计算精度较高，但是占用的计算资源也较多，当计算资源充足时可采用该方法。对于自编程方法，吸热器内传热流体的对流换热通过流动换热关联式进行求解，计算资源占用较少，当计算资源缺乏时可采用该方法。若所使用的对流换热关联式的精度较高，该方法同样能获得较为精准的温度分布。
[0062]
本发明的具体实施例中，采用自编程方法计算获得吸热器温度分布，如图5所示，将吸热管14分为迎光面、流体域和背光面，迎光面能量平衡方程如下式(2)、式(3)、式(4)及式(5)所示，类似的可以计算流体域和背光面的能量平衡方程。吸热器表面的网格划分与步骤s1中保持一致，在步骤s1中获得的能流密度分布直接赋值给步骤s2中的网格。使用matlab进行编程，得到吸热器的温度分布图，如图6所示的调整涂层覆盖策略前的温度分布图中，吸热管14两侧壁面的能流分布最集中(图中矩形框圈起来的区域中的深色区域，即最高温所在的区域)，将低温管设置在能流最集中的区域，有助于降低吸热管14的最高壁温，但是即使调整低温管在能流中的位置，最高壁温仍为618℃。
[0063][0064][0065][0066]qin
＝q1 q2 q3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0067]
式中，q
in
为迎光面接收能量；
[0068]
q1为迎光面与相邻固体单位的导热；
[0069]
q2为迎光面和工质的对流换热；
[0070]
q3为吸热器背光面、迎光面传递导热换热；
[0071]
λ为管壁导热系数，w/m
·
k；
[0072]
x为相邻网格单元间的轴向距离，单位为m；
[0073]
h2为迎光面壁面与流体的强制对流换热系数，w/m2·
k，可通过格尼林斯基(gnielinski)公式求得；
[0074]
l为迎光面与背光面单元的周向距离，单位为m；
[0075]
t
j，i
，为吸热器j区域的轴向位置i处的网格的温度，j＝1，2，3，j＝1代表吸热管14的迎光面，j＝2代表吸热管14的流体域，j＝3代表吸热管14的背光面，单位为℃；a1、a2、a3分别代表不同位置的轴向导热面积，s1、s2、s3分别对应不同位置的径向换热面积，i-1，i 1代表与i相邻的网格单元的位置；q
rad
代表辐射换热；q4为背光面和工质的对流换热，q5为背光面与相邻固体单位的导热。
[0076]
本发明的优选实施方式中，步骤s3中，调整吸热器表面的超温区域的涂层覆盖策略包括：通过调整涂层的厚度或颜色来调节吸热器的光学吸收率。进一步地，若还存在超温
区域，可以通过改变涂层颜色或厚度进一步降低高温区域的涂层的光学吸收率，或者扩大涂层调整的范围。本发明涂层覆盖策略的调整方式简单、易于操作，且通过改变涂层覆盖策略能够在不降低吸热器投入能量的前提下，有效改变吸热器表面的温度分布，从而避免出现局部超高温引发危险状况的发生，保证吸热器表面的各区域的温度在规定温度范围内。如图7为本发明实施方式中调整涂层覆盖策略后的吸热管表面涂层覆盖示意图。图7中对应超温区域的部分，采用了浅色涂层，降低了光学吸收率及该区域的温度，吸热管14其他区域正常涂刷涂层，保证较高的能量利用率。从图8中可以看出，虚线矩形框圈起来的区域为涂层覆盖策略调整区域，涂层覆盖策略调整区域的最高温度为578℃，与调整涂层覆盖策略前相比，最高温度下降了40℃，效果显著。
[0077]
本发明在不增加任何额外设备的前提下，仅通过调整吸热器吸热管14表面的涂层涂刷策略，不降低吸热器的投入能量且对定日镜的控制系统无过高要求，在确保吸热器安全运行的同时可有效提高吸热器的性能，有助于太阳能热电系统(如塔式太阳能热电系统)整体效率的提升。
[0078]
本发明的优选实施方式中，吸热器的工质可以是水、空气、熔融盐、超临界二氧化碳等。本发明涂层优化方法适用于多种不同工质和形式的吸热器，适应性较强，适于推广使用。
[0079]
本发明另提供一种太阳能热电系统吸热器涂层的优化系统，执行上述的太阳能热电系统吸热器涂层的优化方法。
[0080]
本发明优化系统对定日镜的控制系统精度要求低，不消耗大量计算资源增加额外的系统成本，能够在保证吸热器接收到的能量尽可能多的前提下，使吸热器受热面的温度分布均匀，避免了吸热器局部温度过高，有利于保护吸热器、提高换热效率、加强系统性能，为太阳能光热电站的运行提供参考。
[0081]
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。