线聚焦腔体集热器吸热面涂层特性研究

发布时间：2020-07-17 17:52

【摘要】：太阳能槽式聚光热发电技术是最早实现商业化运营的太阳能热发电技术，作为槽式太阳能集热器中光热转换过程的承载者的吸收器，其吸收效率高低直接影响系统的集热效率。目前国外线聚焦太阳能集热系统采用的直通式真空管吸收器具有热损小，效率高的优点，但缺点在成本高，长期运行容易出现真空泄露等问题。腔体吸收器是除真空管以外，可用于线聚焦太阳能集热器的另一种吸收装置，虽然热效率偏低，但同时具有低成本，可靠性高的优点。若在腔体吸热面上涂制具有高吸收比的吸收涂层，可使二次反射光线很好的被腔体所吸收，大幅提高腔体的集热效率。论文主要工作内容包括现有不同吸收涂层对腔体吸热传热性能研究和性能稳定的太阳能选择性吸收涂层的开发研究，具体研究内容如下：（1）以现有的吸收涂层为研究对象，测试系统选用2m2的槽式抛物反射镜-三角形腔体吸收器型太阳能集热装置，获得了在相同天气情况下，不同吸热面涂层（黑漆涂层、阳极氧化）和未涂制涂层时的腔体吸收器热效率曲线。基于太阳能吸收涂层的辐射性质，建立了线聚焦太阳能吸收腔体传热数理模型，理论研究了线聚焦太阳能吸收腔体的吸热传热特性。研究表明，吸收腔体吸热面温度与聚光能流密度呈线性关系，腔体吸热表面温度最高可达到450K；太阳能吸收涂层对吸热腔体有重要影响，具有低红外发射系数涂层的系统吸热效率明显较高，具有吸收涂层的腔体吸收率比之空白腔体平均高出8%左右；在中等聚光能流密度时红外辐射能量损失率取得最小值。吸热管内的强迫对流可以显著提高腔体吸热效率。吸热效率随流量增加而提高，每增加10g/s的流量，吸热效率增加约2%，而随着流量增加管壁温度则显著下降。（2）本文利用脉冲磁控溅射设备制备了SS-AlN太阳光谱选择性吸收膜，用分光光度计测量样品的光谱反射曲线并与模拟计算所得到的反射曲线进行对比。结果显示：理论模拟曲线与实测数据吻合较好，实验测得的用脉冲磁控溅射设备的单层吸收膜最大吸收率=90.81%，的理论最大值为92.65%。光学效率能保证其有效地应用于太阳能中高温领域。（3）本文利用化学氧化法获得PbS选择性吸收层，并对其最佳反应条件，耐高温、耐酸及耐磨性能进行研究。实验结果表明，采用铜片基底的最佳镀PbS膜条件为：c(Pb(Ac)2)=c(硫脲)=0.4mol/L，c(NaOH)=1.2c(Pb(Ac)2)，反应温度40℃，反应时间30min。其对应的常温下吸收率α=0.888,反射率=0.112左右。PbS涂层在中高温区具有良好的热稳定性，在灼烧温度为400℃时，仍高达0.86。镀制抗腐蚀减反射层后该方法能有效应用于太阳能中高温领域。
【学位授予单位】：云南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S214
【图文】：

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1.1 课题研究的背景及意义随着全球的能源危机的日益突出，石油原油价格居高不下，屡创历史新高和能源问题已是当今世界各国关注的焦点问题，经济发展的同时，必然能源的消耗，而以化石原料为主体的能源需求构成不可避免的导致地球破坏。世界经济现代化，得益于石油、煤炭、天然气等化石能源与核裂广泛应用。因而它是建立在化石能源基础之上的一种经济。然而，这一资源载体将在 21 纪上半叶迅速地接近枯竭。综合估算世界石油储量，可化石能源的极限，大约为 1180~1510(108t)，以 1995 年世界石油的年开采108t)计算，石油储量大约在 2050 年左右宣告枯竭。天然气储备估计00~152900(1012m3)。年开采量维持在 2300(1012m3)，将在 57~65 年内枯竭储量约为 5600(108t)。1995 年煤炭开采量为 33(108t)，可以供应 169 年[1,2年开采量目前为每年 6(104t)，根据 1993 年世界能源委员会的估计可维持纪 30 年代中期。核聚变到 2050 年还没有实现的希望。化石能源与原料中断，将导致世界经济危机和冲突的加剧，最终葬送现代化市场经济。

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图 1.2 Boyd 与 Barra 腔体示意图九十年代末期，随着直接产蒸汽集热器（DSG）的兴起，1998 年，ODEH直接产生蒸汽的太阳能集热器（DSG）建模分析，他首先利用油作为工质析了集热器的热损失，为了验证计算的准确性，将结果与沙特国家实验室试结果进行了比较，两者吻合的较好；其次建立了在集热器中流动的水的流模型，研究表明采用采用油作为工质的热损失要大于以水作为工质，在 90口温度时，这种集热器集热效率超过 70%。2003 至 2004 年，Eck 和 Zarza[14-16]，将 Plataforma SolarAlmeria 作为对1999-2001 年期间运行了 3000 小时）对直接产真气的槽式太阳能集热器进深入的研究。他们还研究了在水平放置和倾斜放置（与底面夹角 4°）两种下集热器的集热性能，分别在 30 公斤和 100 公斤的压力下进行实验，实现水平放置能够取得足够好的效果，倾斜布置集热器不具有明显优势。Randy[17]对应用在美国 Duke Solar Power Roof 商业项目中的一种太阳能

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靠移动吸收器来实现聚光，不锈钢管吸收器直径为 42mm，吸收器表面涂有选择性吸收涂层（其吸收率大于 96%，发射率小于 10%），吸收器外表面之上套有直径为 150mm 的玻璃管，为增加聚光效果，在真空管周围布置了 CPC 反射板进行二次聚光。能使整个集热器几何聚光比达到 86，在 150℃的工质温度下瞬时效率为 55%。2007 年，Sendhil[18-20]使用软件模拟方法，将半球形、3/4 球形以及改进的半球形腔式吸热器作为研究对象，将达到稳态时吸热器内壁面近似认为是等温壁面，然后对不同倾斜角度条件下吸热器内外的温度场和对流、辐射热损失情况进行了模拟。研究结果表明改进形吸热器的热损失最小，其热性能优于其它两种。并在此基础之上研究了改进形吸热器尺寸参数对热性能的影响并对其进行优化。

【参考文献】