采用腔体吸收器的聚焦太阳能集热器集热过程热力学分析 谢文韬.docVIP

中国工程热物理学会 工程热力学与能源利用 学术会议论文 编号：091157 采用腔体吸收器的聚焦太阳能集热器集热过程热力学分析 谢文韬 代彦军 王如竹 （上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海市闵行区东川路800号，200240） Tel：02126，Email：wentaoxie@sjtu.edu.cn 摘 要：建立了采用腔体吸收器的聚焦太阳能集热器太阳能光热转换的数学模型并进行了热力学分析，基于卡诺循环得出了太阳能集热器单位集热面积最大输出功的表达式，得到了一定几何聚光比、光学效率和大气质量等参数条件下，集热器的优化集热温度和集热效率，在高倍聚光条件下，太阳能光热转换效率有很大的提升潜力。同时，通过热力学分析得到了采用点聚焦式腔体吸收器的聚焦太阳能集热器的?效率，利用该表达式可以对聚焦太阳能集热器进行优化。 关键词：太阳能；腔体吸收器；?效率 1 引言 太阳能光热转换是当前最广泛应用的太阳能利用方式之一。太阳能制冷、采暖、海水淡化、热发电是太阳能光热利用的主要形式，其中太阳能中高温（≥200℃）利用技术被认为是未来最有前景的技术，可用于热发电、海水淡化、空调、工业加热等，主要有反射式聚光的槽式、塔式和碟式三种形式，此外，利用菲涅尔透镜[1]和菲涅尔反射镜[2]的太阳能聚光发电技术也有了初步研究应用，两级太阳能高倍聚光装置也开始构建[3-4]。 在太阳能转换过程中，通常将太阳能看成是一个温度为5762K，波长为0.3～3的黑色辐射体，对于封闭空间黑体辐射的理想转换过程，早在1961年Petela[5]导出了热辐射?效率的表达式，12年后，Press[6]和Landsberg[7]也各自得出了相同的结果；1964年Spanner[8]给出了直接太阳辐射的?效率表达式；Jeter[9]通过对热机的分析，于1981年提出了由卡诺热机效率决定的热辐射?效率的表达式，这三种效率的极限值都涉及到以太阳作为高温热源，环境作为低温热源的内部可逆循环。而在实际的太阳能中高温应用，特别是热发电技术，研究太阳能集热器收集到的那部分太阳辐射中可以产生多少可用能更有意义，基于这一原则的太阳能转换效率才最有实用价值。 太阳能吸收器是太阳能光热转换利用系统中的一个重要部件，国内外研究主要集中在真空管式吸收器[10-12]和热管式吸收器[13-15]上，二者制造和维护的成本都较高，且加工精度对其性能有很大影响，而腔体吸收器由于其结构简单、制造和加工成本较低，热性能和光学性能在某些方面并不亚于真空管式和热管式吸收器，得到了越来越广泛的关注和研究[16-19]。 本文利用热力学对太阳能聚能中高温转换过程中的效率进行分析，构建了太阳能光热转换的数学模型，得出了在聚光条件下集热器的优化集热温度和集热效率；通过建立点聚焦式腔体吸收器的物理模型，导出了采用点聚焦式腔体吸收器的聚焦太阳能集热器?效率的表达式。 2 采用腔体吸收器的聚焦太阳能集热器构成及工作原理 本文所研究的聚焦太阳能集热器主要由三大部分构成：光学聚光器（包括线聚焦式和点聚焦式），腔体吸收器和太阳能跟踪装置。线聚焦式光学聚光器的几何聚光比比较小，通常在几十到一百之间，通过聚焦获得的热能品质较低，通常低于400℃；点聚焦式光学聚光器的几何聚光比一般可以达到几百甚至上万，通过聚焦可以获得高品质的热能，在很小的面积上产生很高的热流密度，获得500℃以上的高温，最高温度可达几千摄氏度。位于聚光器聚焦区域的腔体吸收器是太阳能光热转换过程的核心部件，利用腔体的黑腔特性（使入射的太阳光经过腔体内壁面反射、吸收、重反射和重吸收尽可能多的留在腔体内部而不逸出），可以有效抑制对流和辐射所产生的热损失，在降低成本的同时提高了可靠性。为了保证集热器精确地跟踪太阳以便尽可能多的接受太阳直射辐射，聚焦太阳能集热器需要安装跟踪装置，对于线聚焦式太阳能集热器一般采用单轴跟踪的方式，而对于点聚焦式太阳能集热器则采用双轴跟踪装置。 在采用腔体吸收器的聚焦太阳能集热系统中，经过聚光器汇聚后的太阳能照射到腔体吸收器的内壁面上，能量被传递给吸收器内部的流动工质（如水、导热油等），流动工质将能量输送到需要用能的地方（如发电、制冷、海水淡化等），下面将通过热力学来分析这一过程。 3 采用腔体吸收器的聚焦太阳能集热器集热过程热力学分析 构建一种采用腔体吸收器的聚焦太阳能光热转换装置，如图1所示，该装置主要由封闭在一定空间内的光学聚光器和腔体吸收器构成，假设该装置精确跟踪太阳，同时能够将汇聚的太阳直射辐射吸收到腔体内，腔体吸收器