一種新型太陽(yáng)能集熱裝置

楊旭潔 何厚樺 胡鴻偉

摘要：設(shè)計(jì)了一種新型的太陽(yáng)能集熱裝置，采用水透鏡對(duì)光線進(jìn)行聚集，利用黑體管集熱器收集利用熱能，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有高效率，易于維護(hù)。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能;聚光集熱;水透鏡;黑體管;節(jié)能減排

太陽(yáng)能作為一種清潔可再生能源受到廣泛關(guān)注，太陽(yáng)能熱利用技術(shù)也迅速發(fā)展。一滴水就能引起一場(chǎng)深林大火，受到這個(gè)啟發(fā)，我們?cè)O(shè)計(jì)一種柱狀水透鏡完成折射式線聚光。進(jìn)入人工黑體的光線將無(wú)法逃出，我們也希望集熱器能做到這一點(diǎn)，由此設(shè)計(jì)出一種黑體集熱管來(lái)吸收聚集的光線。為了突破現(xiàn)行槽式聚光集熱技術(shù)的局限，設(shè)計(jì)了一種新型太陽(yáng)能聚光集熱裝置。

該裝置由聚光部分和集熱部分組成。在聚光部分，利用透鏡聚光原理，設(shè)計(jì)了一種以玻璃為殼體，在玻璃中注水的新型透鏡。與傳統(tǒng)拋物形反射面相比，水透鏡價(jià)格便宜、易于制造，通過(guò)換水可達(dá)到完全翻新的效果，從根本上解決了拋物形反射面易老化的問(wèn)題。

集熱部分則利用人工黑體原理設(shè)計(jì)了一種高效的黑體集熱管。太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)透鏡匯聚后經(jīng)集熱管上的細(xì)縫射入黑體管內(nèi)，被反復(fù)反射吸收，光能轉(zhuǎn)化為熱能來(lái)加熱工質(zhì)。和傳統(tǒng)真空集熱管相比，黑體管輻射損失小，效率高，工藝簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)。

相比于目前的槽式熱發(fā)電技術(shù)，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，在運(yùn)輸、安裝和后期維護(hù)上都有優(yōu)勢(shì)。我們創(chuàng)新性地提出了高效低成本的水透鏡方案，并設(shè)計(jì)了新型黑體集熱管。該裝置可用于大規(guī)模太陽(yáng)能集熱發(fā)電、光伏發(fā)電、海水淡化等諸多領(lǐng)域，前景廣闊。

黑體集熱管利用人工黑體原理，將集熱管做成馬蹄形空腔管，這樣進(jìn)入空腔內(nèi)的高能量密度的光線只有很小的一部分通過(guò)缺口輻射出去。為了減小損失，可在空腔內(nèi)表面涂吸收涂層，在空腔管外表面包覆良好的隔熱層。而在太陽(yáng)能聚集過(guò)后，可形成高能密度的光帶，正好可使用黑體集熱管來(lái)收集。

1、集熱管溫度場(chǎng)模擬

為了進(jìn)一步對(duì)集熱管的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，我們采用fluent軟件對(duì)黑體集熱管的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了模擬。模擬所用黑體管結(jié)構(gòu)尺寸為：內(nèi)徑30mm，外徑50mm，保溫層外徑100mm，開(kāi)口角度θ1=30°，長(zhǎng)度為1m。

計(jì)算方法：采用層流模型（Laminar）計(jì)算氣液兩相流動(dòng)傳熱，采用DO模型計(jì)算輻射傳熱，求解環(huán)境是基于壓力、3D、穩(wěn)態(tài)，忽略重力影響，求解器采用默認(rèn)設(shè)置（SIMPLE、standard、一階迎風(fēng)）收斂標(biāo)準(zhǔn)各余項(xiàng)小于0.001，energy和do-intensity兩項(xiàng)殘差小于10-6。

邊界條件設(shè)置：水進(jìn)口溫度為300k，速度0.004m/s;內(nèi)腔在水進(jìn)口處溫度為300k，在水出口處的溫度按計(jì)算結(jié)果設(shè)定（500k）;保溫層厚度為0.025m，熱導(dǎo)率為0.03w/m·k;通過(guò)半透明體（玻璃層）進(jìn)入內(nèi)腔的熱流密度設(shè)為133333w/m2，玻璃層厚度為0.002m。

計(jì)算結(jié)果：

該模擬結(jié)果可以給我們提供改良黑體管方向，為了使溫度分布更均勻，可以采取如下措施：加強(qiáng)正對(duì)開(kāi)口處管壁的吸熱涂層，增加其吸收率，減少其發(fā)射率;將內(nèi)腔中央底部表面改為凸表面，如劈尖狀，可減小該表面對(duì)開(kāi)口的角系數(shù);增大最高溫度區(qū)域壁面粗糙度，使光線能向各個(gè)方向反射，受熱更均勻。

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