一种新型高效的太阳能多孔介质吸热器的制作方法

本发明涉及太阳能光热发电用高温空气吸热器技术领域，具体是涉及一种太阳能吸热器。

背景技术：

在全球资源紧缺的形势下，开发新能源显得尤为重要。太阳能作为一种取之不尽的可再生清洁能源而受到广泛关注。目前，太阳能发电方式主要分为光伏发电和光热发电两种形式。

太阳能热发电技术输出电力稳定，易于并网，且对环境危害极小。其主要分为塔式、槽式、碟式等多种形式，其中塔式因热机效率高而最具竞争力，并且已基本实现商业化，其工作原理是利用聚光系统，将太阳辐射热流汇聚到塔上的吸热器，吸热器吸收热流后通过耦合换热，加热流过其中的工质，加热后的工质进入发电机组，产生电能。

吸热器作为关键部件会很大程度上影响光热系统的整体效率。太阳能吸热器通常分为腔式，容积式和粒子式吸热器。容积式太阳能吸热器即多孔介质吸热器是由高孔隙率多孔介质组成，其比表面积大，换热效果好，并且相对于其他种类吸热器可以达到更高的效率，所以被广泛采用。

传统的多孔介质吸热器通常由单一性质的多孔介质组成。多孔介质材料通常由金属或陶瓷构成，包括编织网状、堆积球颗粒、蜂窝状、泡沫状等。由于多孔介质吸热器由高吸收率非透明材料组成，热流入射深度浅，多数热流在入射面被吸收，易造成吸热器前表面温度过高，辐射损失增加，降低光热转换效率，产生热应力集中现象，影响吸热器寿命，并且由于其工质多为空气，空气受热后密度下降，粘度增加，易产生流动不稳定现象。

技术实现要素：

多孔介质吸热器设计要点在于增大消光区域以提高热流入射深度降低表面温度，增大对流换热系数以提高换热效率，增大等效导热率以避免局部高温现象，降低流动压损以提高流动稳定性。目前传统的单一性质的多孔介质吸热器没有很好的满足以上要点。

为了克服现有传统多孔介质吸热器的辐射损失大、流动稳定性差的缺点，提高光热转换效率，本发明提出一种通过研究多孔介质光吸收和流动传热特性，将传统单一性质多孔介质吸热器更改为结构参数以及表面辐射特性参数随入射深度变化的多孔介质吸热器。

本发明提供的技术方案是：一种结构参数和表面辐射特性参数随深度变化的太阳能吸收器，包括保温层、多孔介质材料吸热芯、导流通道、导流装置。保温层内包裹有多孔介质材料吸热芯，吸热芯一端为热流入射面和工质入口，另一端为工质出口且连接有导流通道，工质流入导流通道后进入导流装置，最后进入发电机组。多孔介质材料的结构参数和表面辐射特性随入射深度发生变化。

多孔介质的结构参数包括孔隙率、孔径、棱柱截面形状、壁厚、堆积方式等会影响其光吸收、流动和传热特性。通过调控所述结构参数可以直接影响多孔介质的消光系数，改变入射热流的消光深度，使得吸收区域发生在吸热器内部，进而改变吸热器的温度分布，避免最高温度点出现在吸热器表面，以降低辐射损失；通过调控所述结构参数可以影响多孔介质的传热性能，较高的等效导热率可以提高固体导热热流，有效的改善局部过热现象。通过调控所述结构参数同样也会影响吸热器流动特征，改变流体的对流换热系数，影响其对流换热效果，以及改变多孔介质的流动特征，降低压损，提高流动稳定性。

多孔介质表面辐射特性包括吸收率、表面选择性涂层等会影响入射热流的吸收过程及辐射换热过程，吸热器工作温度通常在1300k左右，根据维恩位移定律，此时多孔介质红外波段辐射较强，通过降低材料的红外波段发射率，可以有效降低吸热器的红外辐射损失。

所述的多孔介质材料根据吸热器实际工作要求，可以选金属或陶瓷，其常用形态包括编织网状、堆积球颗粒、蜂窝状、泡沫状等。

所述的多孔介质材料结构参数和表面辐射特性参数有一项或多项随深度变化。

所述的结构参数和表面辐射特性参数可以为梯度变化，也可为渐变。

本发明的有益效果是：多孔介质结构参数和表面辐射特性参数的改变使得入射热流辐射深度增加，消光区域增大，高温区域位于吸热器内部，降低表面温度，减少辐射损失，提高吸热器效率，并提高吸热器流动稳定性，避免热力集中现象。

附图说明

本说明书包括如下附图：

图1是新型高效的太阳能多孔介质吸热器示意图；

图2是本发明实施例1的碳化硅陶瓷泡沫吸热芯结构示意图；

图3是本发明实施例2的碳化硅堆积球颗粒吸热芯结构示意图。

具体实施方式

参照说明书附图，对本发明做以下详细说明。

实施例1：

为了使本发明的目的、技术方案等更加清晰，下面以碳化硅陶瓷泡沫吸热器为实施例，进一步理解本发明的技术方案和优点。

如图1所示，保温层1内包裹多孔介质吸热芯2，辐射热流6投射到多孔介质吸热芯2进行加热，冷空气5流过多孔介质吸热芯2进行换热后得到热空气，经导流通道3进入导流装置4。

碳化硅陶瓷泡沫受孔径、孔隙率、棱柱形状等结构参数和表面发射率、表面选择性涂层性质等表面辐射特性参数影响较大。通过查阅文献、进行理论或实验研究等方法，对碳化硅陶瓷泡沫的结构参数和表面辐射特性参数进行调控，可以改变碳化硅陶瓷泡沫的光吸收、传热、流动特性。

如图2所示，多孔介质材料吸热芯由结构参数和表面辐射特性参数变化的碳化硅泡沫陶瓷组成，包括消光系数低、带有可见光波段高吸收率和红外波段低吸收率的选择性涂层的碳化硅泡沫陶瓷a，高消光系数、高等效导热率的碳化硅泡沫陶瓷b，低压降特征的碳化硅泡沫陶瓷c。碳化硅泡沫陶瓷的消光系数受孔隙率和孔径影响较大，等效导热率受棱柱横截面积影响较大，流动压降特征受孔径影响较大。碳化硅泡沫陶瓷a为高孔隙率、大孔径的碳化硅泡沫陶瓷，以实现较低消光系数，其棱柱表面覆盖有选择性涂层以得到可见光波段高吸收率和红外波段低吸收率；碳化硅泡沫陶瓷b为孔隙率较低，棱柱横截面积较大的碳化硅泡沫陶瓷，以实现高消光系数、高等效导热率；碳化硅泡沫陶瓷c为孔径较大的碳化硅泡沫陶瓷，以实现低压降特征。

入射光投射到多孔介质吸热芯，首先部分入射光被碳化硅泡沫陶瓷a吸收，因为碳化硅泡沫陶瓷a的消光系数低，所以大部分入射光得以继续向内入射到达碳化硅泡沫陶瓷b区域。由于碳化硅泡沫陶瓷a带有选择性涂层，所以被吸收的入射热流可见光波段被很好吸收，同时由于碳化硅泡沫陶瓷a处于高温状态，由维恩位移定律可知，其红外波段辐射较强，由于选择性涂层的存在，其红外辐射损失较低。入射光照射到碳化硅泡沫陶瓷b时，由于其较高的消光系数，入射光被迅速吸收完毕，此时出现最高温度，由于碳化硅泡沫陶瓷b的等效热导率较高，有利于降低固体温差，避免局部过热现象。碳化硅泡沫陶瓷c由于碳化硅泡沫陶瓷b的导热热流和辐射热流而被加热，由于空气工质流动方向与入射光入射方向一致，经过与碳化硅泡沫陶瓷a、b对流换热后，空气工质已被加热，但是依旧存在换热温差未达到热平衡，由于空气工质被加热后密度下降，粘度增加，易发生流动不稳定情况。空气工质进入碳化硅泡沫陶瓷c后，由于碳化硅泡沫陶瓷c压降低，有利于稳定流动，高效换热，使得空气工质到达出口时与多孔介质达到热平衡。

通过改变碳化硅泡沫陶瓷结构参数和表面辐射特性参数使得入射热流辐射深度增加，消光区域增大，高温区域位于吸热器内部，减少辐射损失，同时吸热器内部高消光系数有利于充分吸收入射热流，高等效热导率有利于避免局部过热问题，低压降特性有利于提高吸热器流动稳定性，提高换热效率。

实施例2：

为了使本发明的目的、技术方案等更加清晰，下面以碳化硅堆积球颗粒吸热器为实施例，进一步理解本发明的技术方案和优点。

如图1所示，保温层1内包裹多孔介质吸热芯2，辐射热流6投射到多孔介质吸热芯2进行加热，冷空气5流过多孔介质吸热芯2进行换热后得到热空气，经导流通道3进入导流装置4。

碳化硅堆积球颗粒泡沫受球径、颗粒形状、堆积方式等结构参数和表面发射率、表面选择性涂层性质等表面辐射特性参数影响较大。通过查阅文献、进行理论或实验研究等方法，对碳化硅球颗粒的结构参数和表面辐射特性参数进行调控，可以改变碳化硅堆积球颗粒的光吸收、传热、流动特性。

如图3所示，多孔介质材料吸热芯由结构参数和表面辐射特性参数变化的碳化硅堆积球颗粒组成，其球径、颗粒形状、堆积方式、表面发射率随深度不断变化。碳化硅堆积球颗粒的消光系数受球径、堆积方式、颗粒表面发射率影响较大，等效导热率受堆积方式，流动压降特征受颗粒形状、球径影响较大。沿深度方向，通过调节碳化硅堆积球颗粒的球径、颗粒形状、堆积方式，表面发射率使得其消光系数、等效导热率随深度不断增大，压降特性随深度不断减小。

入射光投射到多孔介质吸热芯，首先部分入射光被表面碳化硅堆积球颗粒吸收，因为表面的消光系数较低低，所以大部分入射光得以继续向内入射，同时，通过选择性涂层，降低表面颗粒红外波段发射率以降低辐射损失。随深度增加，消光系数不断增加，入射光被完全吸收，此时出现最高温度，由于等效热导率随深度增加，有利于降低固体温差，避免局部过热现象。由于空气工质流动方向与入射光入射方向一致，空气工质经过与堆积球颗粒换热后，密度下降，粘度增加，易发生流动不稳定情况，由于压降特征随深度减小，有利于稳定流动，高效换热，使得空气工质到达出口时与堆积球颗粒达到热平衡。

通过改变碳化硅堆积球颗粒结构参数和表面辐射特性参数使得入射热流辐射深度增加，消光区域增大，高温区域位于吸热器内部，减少辐射损失，同时吸热器内部高消光系数有利于充分吸收入射热流，高等效热导率有利于避免局部过热问题，低压降特性有利于提高吸热器流动稳定性，提高换热效率。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已。并非对本发明作任何形式上的限制；凡熟悉本专业的普通技术人员均可按说明书附图及以上所述步骤而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所阐述的技术内容而做出的些许更改、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实施技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均属于本发明的技术方案的保护范围之内。