周洪贺 二次反射塔式太阳能吸热器热分析.docxVIP

中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文编号：143688二次反射塔式太阳能吸热器热分析周洪贺，张筱娴，袁远，帅永，谈和平哈尔滨工业大学能源科学与工程学院456信箱，哈尔滨150001Tel: 0451 E-mail: yuanyuan83@hit.edu.cn摘要：二次反射塔式太阳能热发电装置是一种新型太阳能热动力发电技术，太阳能吸热器作为该系统的核心部件，其可靠性直接影响整个系统的效率和经济性。为能够准确评估太阳能热电装置的成本和吸热器的使用寿命，对吸热器热应力特性的计算至关重要。本文采用Ansys软件建立了太阳能吸热器的热应力特性分析模型，研究了不同进出口截面温度、吸热管弯曲形状等，对热应力分布以及吸热管变形的影响。结果表明：入口温度不变的条件下，出口温度越高，吸热器弯管产生的热应力越大，变形越明显；当材料满足最大热应力要求时，C形弯头的平均热应力小于S形弯头；吸热管的温度差是影响热应力分布的主要原因。本文研究成果可为太阳能吸热器的设计提供有效参考。关键词：吸热器，热应力，热变形，数值模拟0 前言环境污染以及化石能源短缺等问题使得新型可再生能源发电技术踏入时代舞台，太阳能热发电系统是当今一种较为成熟的可再生能源发电技术。以熔盐为传热工质的塔式太阳能发电系统具有高温，高效，高能以及良好的储能性能等优点成为最有前景的太阳能热发电系统[1-4]。塔式太阳能发电系统主要由定日镜场、太阳能吸热器和蓄能系统组成[5-7]。太阳辐射能量被定日镜场（安装有太阳能跟踪系统的独立反射镜）反射并聚集到安装于塔顶的吸热器上。通过这种方式，太阳辐射的能量被集中于吸热器的有效区域，并达到最大辐射热流。但由于这种传统的塔式太阳能发电系统吸热器安装于聚光塔塔顶，吸热器位置高，导致系统安装维护困难，系统成本及附加损耗居高不下[8]。二次反射塔式太阳能热发电系统能够有效解决传统塔式太阳能发电系统存在的问题，该系统不同之处在于，其吸热塔是一种特殊的二次发射塔，塔顶安装二次反射镜，太阳光经定日镜场反射聚焦到二次发射镜上，又经二次反射镜反射聚焦到地面吸热器上。图1给出了二次反射塔式系统示意图。由于吸热器等部件落地安装在地面上，便于安装维护，减小管路电伴热耗电量和输送泵扬程，降低附加损耗，有效解决了传统塔式系统存在的问题。二次反射塔式太阳能热发电系统采用平板式熔盐吸热器，由于太阳能的间歇性和不均匀性以及熔盐在高温下的腐蚀性，使得太阳能吸热器产生热应力和热疲劳，严重时会产生弯曲变形甚至失效。因此建立吸热器流动、传热以及热应力分析模型，研究吸热器的热应力分布及热变形特点，对延长其使用寿命，提高太阳能热发电系统的热效率，降低投入成本具有重要意义。本文以二次反射塔式太阳能光热电站系统中的平板式熔盐吸热器为研究对象，采用Ansys软件，分析了不同温度条件、吸热管弯曲形状等，对热应力分布以及吸热管变形的影响，为二次反射塔式系统中平板式熔盐吸热器的设计及性能评估提供了有效参考。基金项目：作者简介：周洪贺（1990-），女，吉林通化人，硕士，主要从事太阳能利用方面的研究．图1 二次反射塔式太阳能热发电系统示意图1数学模型当物体温度发生变化时，其内部会产生热应力，主要原因有以下四种：(1)由于外部约束的存在，完全或者部分限制了物体的自由膨胀而产生热应力；(2)由于物体内部结构原因，如管道弯头段在受热过程中产生了不同程度的膨胀而产生约束；(3)由于物体存在温度梯度而产生热应力，尤其是非线性温度梯度会引起较高的热应力；(4)若物体由不同材料组合而成，各部件热膨胀系数不同，则会造成部件之间的相互制约，从而产生热应力。本文考虑了前三种因素，对太阳能平板式熔盐吸热器进行了热应力场的分析。热应力计算过程中遵循弹性力学基本控制方程[9]：(1)热应力的广义胡克定律 (1) (2)式中，为剪切弹性模量；为体积应力；为温差。(2)热弹性力学平衡微分方程——位移方程 (3)式中，为体积应力；为热应力系数；为拉梅常数；为单位体积的体积力在上的分量，为拉普拉斯算子。(3)热弹性力学变形连续方程——协调方程由剪应力互等定律可知： (4) (5)2 几何模型及网格划分2.1 几何模型二次反射塔式太阳能吸热器根据solar2工程[10]经验及相关资料设计，基本结构如图2所示，吸热器共四个模块，每个模块由27根吸热管并联组成。吸热面长3m，宽2.92m，水平倾角为15°。保温腔体内部为弯管，按照其弯曲的形式可分为C形和S形两种，其中弯曲角度为60°和75°，下文分别称为弯头1（60°）和弯头2（75°）。由于吸热器模型较大，且考虑到其产生热应力的主要原因，本文仅对吸热器C形和S形弯