碟式太阳能热发电系统中吸热器温度场模拟

第37卷 第8期 2009年 8月 化 学 工 程 CHEMICAL ENGINEERING(CHINA) Vol_37 No．8 Aug． 2009 碟式太阳能热发电系统中吸热器温度场模拟 廖 葵，龙新峰 (华南理工大学 化学与化工学院 传热强化与过程节能教育部重点实验室，广东 广州 5m640) 摘要：纯太阳能热发电作为一种能源清洁转换的有效方式越来越受到关注，吸热器作为发电过程中的能量转换装 置在整个发电系统中起到了重要的作用。文中分析了吸热器的温度分布，比较了吸热器5种不同结构的温度场。 结果明：球形吸热器最适合用于太阳能热力发电系统，并给出了球形吸热器在不同时间段的温度分布。计算结 果可为工程设计和使用吸热器提供参考。 关键词：太阳能热发电；吸热器；辐射；温度场 中图分类号：TM 615 文献标识码：A 文章编号：1005-9954(2009)08-0063-04 Simulation of temperature field for heat receiver in solar—only disk power generation LIAO Klli，LONG Xin—feng (Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation of the Ministry of Education， School of Chemistry and Chemical Engineering，South China University of Technology ， Guangzhou 510640，Guangdong Province，China) Abstract：As an effective way for energy clear conversion，solar—only thermal power generation attracts more people to pay attention，the heat receiver plays an important role in energy transformation in solar—only therm al power generation．The temperature distribution of heat receiver was analyzed．Th e temperature fields of five structures of the heat receivers were compared．The calculated results show that spherical structure is available and the most suitable for solar—only therm al power generation． Th e temperature distributions of spherical heat receiver were simulated in different time period in the whole day．The result can be taken as a reference for design and application of heat receiver． Key words：solar therm al power generation；heat receiver；radiation；temperature field 太阳能热发电既不会产生 CO ，NO ，SO 和其 他有害气体，也不会产生其他环境问题，有效地实现 了能源的清洁转换利用。然而，太阳能具有低密度、 间歇性的特征，不能稳定、持续地供应。为从根本上 弥补这一缺陷，使太阳能从辅助能源最终变为一种 使用方便可靠的清洁能源，需要借助于储能系统。 对于采用碟式聚热的大规模太阳能热发电系统，利用 氨合成／分解反应的储能方式最为合适。澳大利亚国 立大学 K．Lovegrove等 采用该方式于2003年已试 制出一套热化学储能功率达 15 kW 的碟式太阳能热 化学储能系统，所用碟式集热器的面积为 20 m 。 K．Lovegrove宣称，采用氨基热化学储能技术，一个有 62 km 太阳热能接受场的热发电站所发出的电力就 足够供整个澳大利亚使用。氨基热化学储能系统主 要由2个关键部件——太阳能吸热反应器(氨分解反 应器)和放热反应器(氨合成反应器)组成。 目前管式太阳能吸热器应用较多，但还需解决 盐膜整体化、增黑剂的选择和液滴损耗等技术难题。 而且管式吸热器的聚光比很小，不适合用于太阳能 热发电系统。小颗粒式吸热器则还需要解决吸收器 的耐久性和颗粒如何运回塔顶等问题。容积式太阳 能高温吸热器是目前国际上比较关注的一种新型太 阳能高温吸热器，这种结构增大了传热面积，能够承 受高达 1 000 kW／m 的热流通量，而且这项技术已 经有很好的技术积累，在短期内可以得到突破。常 见的用于碟式太阳能发电系统的吸热器形状有球 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50206004)；广东省自然科学基金资助项目(020875) 作者简介：廖葵(1983一)，女，硕士，主要研究方向为强化传热与节能、热化学储能太阳能热力发电，E—mail：liaokui83@126，eom。 · 64· 化学工程 2009年第 37卷第8期 形、圆柱形、椭圆形、圆锥形及复合圆锥形 。本文 针对这5种不同结构的吸热反应器，对其内部的温 度场进行分析比较，为吸热反应器的设计、制造提供 理论参考。 1 物理数学模型 1．1 物理模型 吸热器接受聚光的太阳辐射，加热排列在吸热器 内壁的氨分解反应器，使发生化学反应，以此实现太 阳能向化学能的转化，也是能量的储存过程。图 1示 出了球形吸热器的结构和该能量转换方式的原理。 绝 热 辐射 吸热 板 氨分解 反应器 、聚光碟 1．2 数学模型 理论上，系统存在传导、对流和辐射3种传热方 式。为方便进行数值模拟，对物理模型和控制方程 进行合理的选择和简化。控制方程采用有限容积 法 ]，选用 DO辐射模型，用 SIMPLE算法求解速度 压力方程，对流扩散项采用二阶迎风格式。自然对 流流动强度由量纲一瑞利数R0来判定。 1．2．1 对流传热模型 吸热器内部为自然对流，其传热可采用动量方 程、能量方程和连续性方程模拟 】，采用极坐标时 相应的方程如下： 动量方程 l，· l，=F一 +t， l， (1) P 能量方程 V·( V r)=p甓一DDe￡ (2) 连续性方程 V·l，=0 (3) 式中：'，为极坐标(r，0， )下的速度向量， 为吸热 器偏角；V为拉普拉斯算子；F为单位体积作用力；p 为压力；T为空气温度，P为空气密度； 为单位质量 流体的比焓； 为空气运动黏度；k 为空气热传导 率；t为时间。 边界条件：模拟中假定附着在吸热器内壁面的 空气温度和内壁面温度相同，即 T： ；模拟的是 封闭容积，Pcos 0=0；吸热器外壁面设置为绝热状 态，慧-00 初始条件： IⅢ = ，l，l 。=0。其中 表示 环境温度。 1．2．2 辐射传热模型 计算中用到的辐射模型为_5引 盟 +(口+ )，(， ， )：肌2 + l l(r， ) ( · )dO (4) 式中：r为位置向量； 为方向向量； 为散射方向；s 为沿程长度(行程长度)；口为吸收系数；n为折射系 数；or 为散射 系数；or为斯蒂芬-玻耳兹曼常数 5．627×10 W／(m ·l(4)；，为辐射强度，依赖于位 置，与方向s；T为当地温度； 为相位函数；／2 为空 间立体角；(0+or )s为介质的光学深度。 1．2．3 入射强度模型 图2所示为美国Kramer Junction电厂所处位置 的年辐射强度变化r 。由图2可见，在每一天内随 着时间的推移，太阳辐射强度是在不断变化，呈现从 弱到强再逐渐减弱的趋势。为方便计算，本文根据 这种辐射变化趋势，做了简化处理，如图3所示。编 写分段的 UDF(User．Defined Function)文件，模拟辐 射传热。图中的辐射强度是经聚光碟聚光后到达吸 热器入射面(聚焦面)的入射强度，假设太阳辐射强 度经聚光反射到接收器表面的放大倍数为4—6。 f、 基 ● ≥ 强 蜜 】9 图2 Kramer Junction地区的太阳年辐射强度 Fig．2 Annum insolation mantle for Kramer Junction area 0 O O 0 0 O O O 0 O O O O O O O 0 暑 0 0 0 0 O 0 0 O O 一 9 8 7 6 5 4 3 2 1 O 一 ■ D ■ 口 ■ Ⅱ 口 ● 口 廖 葵等 碟式太阳能热发电系统中吸热器温度场模拟 ·65· 『^ g ● ≥ = 溪 g 1．2．4 流动类型判断 当反射的太阳光照射到吸热器入射面时，吸 热器内空气温度及其余各面的温度和入射面温 度不再相同，由此产生密度差和浮力驱动的 自然 对流。自然对流流动强度由 来判定 ，Ra可表 示为 Ra：Gr．Pr： flgATL3p2 ． ： 且龇 (5) ‘ 口 1 式中：』B为体膨胀系数(也叫热胀系数)， ：一 × 3 模拟结果分析 3．1 温度场分析 有研究结果表明，吸热器腔体的形状对吸热器 的热效率影响很小，但对系统的温度分布有很大影 响[8]。吸热器入射面由于连续接受太阳辐射，其温 度将高出其他各面。而侧面所取材料相同，故温度 分布应是对称的，如图5所示。在 1 d的时间段里， 随着太阳辐射强度的变化，吸热器壁面温度将出现 相应的由低到高再转低的变化。 图5 球形吸热器的温度分布 Fig．5 Temperature distributions of spherical heat receiver ( ) 即定压下与温度变化相对应的密度变化的度 3．2 5种结构的热性能比较 量；g为重力加速度；o为热扩散率，口= ，A为空 pcD 气的导热系数，c。为比定压热容； 为动力黏度，I-t= 。 若 Ra<10。，浮力驱动的对流为层流；若 10 < Ra<10m区间时，为层流与湍流的过渡阶段。 2 网格划分 物理模型选取球形，见图1，其网格划分见图4， 在壁面进行了网格的局部加密。入射面材料假设为 玻璃，透过率为 1。底面绝热，二侧壁面向靠壁排列 的氨分解反应器放热。 图4 网格分布 Fig．4 Grid distribution 图6给出了吸热器的5种不同结构在相同时间 下(上午8点)的温度分布。吸热器的内壁面的温 度分布是不均匀的，当最高温度和最低温度相差太 大，将对吸收器内部热量的均匀性极其不利，容易形 成由于局部高温导致裂管。由图6可看出，在太阳 辐射相同时间下，球形结构的内壁升温最快，温度达 到最高，且温差不大。圆锥形结构的内壁温度也达 到了和球形结构相似的温度。而圆柱形、椭圆形、复 合圆锥形则升温较慢，内壁温度偏低。 3．3 球形吸热器各个不同时刻的温度场分布 以球形吸热器为例，模拟了其在1 d内不同时 刻的温度分布 ，如图7所示。从图中可以看出，从 早上 8点到下午 16点的时间段里，随着太阳辐射 的变化，吸热器内壁温度出现了相应的变化，在正 午 12点温度最高，早上和下午时间段的温度相 近，下午时间段的温度略高，这是因为经过上午一 段时间的辐射，有了热量的积累。从图中还可以 看到，在各个时刻，温度均对称分布，温度分布图 基本相似。随着辐射强度的变化，吸热器平均温 度呈现相应的增减，但变化幅度小于辐射强度的 变化。 O O 0 0 0 O O O O 如 ∞ 如 ∞ 如 ∞ 如 ∞ ∞ O O O O O 5 9 3 6 O 4 1 8 6 3 O 7 5 2 O K 7 2 6 l 6 1 5 O 5 0 9 9 8 8 7 7 6 6 5 5 8 6 4 2 O 8 6 4 2 0 O 0 O O O 9 9 9 9 9 · 66· 化学工程 2009年第 37卷第 8期 K 984 737 974 211 963 684 953 1 58 942 632 932 105 92l 579 91】O53 900 526 890 000 (a)椭 圆形吸热 器 (b)嘲锥 形吸热器 K 924 737 908 947 893 1 58 877 368 861 579 845 789 83O 00O (c)球 形吸热器 一 (d)圆柱形 吸热 器 (e)复合圆锥形 吸热器 图6 吸热器温度分布 Fig．6 Temperature distributions of heat receiver (a)8点 时的温 度分 布 (c1 12点时的温度分布 K O89 O57 026 470 89O 32O 994 737 963 1 58 931 579 900 000 K 11O 530 O82 ¨ 0 O53 68O O25 260 996 842 968 421 940 0O0 K 968 421 933 684 898 947 864 211 829 474 794 737 76O 0OO (b1 IOR时 的温 度分布 (d1 14点时的温 度分布 fe)16点时的温度分布 图7 球形吸热器在不同时刻的温度分布 Fig．7 Temperature distributions of spherical heat receiver at different time K 089 470 068 420 047 370 026 320 005 260 984 2ll 963 1 58 942 1O5 921 053 900 000 K l09 470 077 046 0l4 89O 320 740 983 1 58 95l 579 920 000 K l09 740 O78 950 048 16O 0l7 370 986 579 955 789 925 O00 【下转第78页】 ■■圈日翻叠■■■■—_ ”¨蚪 ∞ K 7 2 6●6●5 0 5 0 4 4 3 3 2 2 O 0 ， 鼯" 跎趴舳 ●西国目鞫盥■圈豳譬■● ■霸图 图豳■曩豳圈- O 0 O O O O 0 ∞ ∞ ∞ 卯 ■霸 H曾嚼■臣图圈■■■ · 78· 化学工程 2009年第37卷第8期 表3 煤油回收单质硫综合考察实验结果 Table 3 Result of integrated survey on the replication experiment by using kerosene method ％ 5 结论 (1)本实验过程数据可作为硫化物矿回收硫工 业化装置设计的初始应用数据。利用本实验室开发 的SFW-450耦合三相反应器，可在同一设备内完成 液固气三相的溶解、过滤、洗涤等操作，减少对环境 的影响。作为清洁生产过程，是一种具有可工业化 前景的工艺。 (2)根据工程条件不同可进行一段法或二段法 工艺路线的选择。一段法工艺，液固质量比2 ，温 度为 130一l40℃，加热30—40 min；经过二段法再次 浸取，可回收矿样中质量分数约99％的单质硫。 (3)溶剂煤油对于其他溶硫性能更好的甲类有 机溶剂而言，安全程度较高，但仍属乙类火灾等级危 险物质，同样需纳入危险化学品管理范畴，强化安全 措施。 (4)因表面效应，残存的微量煤油会对处理后 渣产生包裹现象。下一步将对此进行深入研究。 参考文献： [1] 姚淑华，石中亮，宋守志．有色金属矿物中硫资源的回收 及综合利用[J]．中国资源综合利用，：axr3(8)：14．18． [2] LOCHMANN J，PEDLIK M．Kinetic anomalies of dissolu— tion of sphalerite in ferric sulfate solution[J]．Hydrome— tallurgy，1995，37．．89-96． [3] 赵毅霞．铜渣氯浸渣处理工艺研究[D]．兰州：兰州理 工大学 ，2007． [4] 林鸿汉．从铜金精矿中湿法综合回收金银铜硫的工艺 研究[J]．矿冶工程，2006，26(1)：51-55． [5] 周勤俭．湿法冶金渣中元素硫的回收方法[J]．湿法冶 金，1997，9(3)：50-54． 【上接第66页】 4 结论 对吸热器 5种不同结构进行了温度场的模拟， 通过以上的分析和讨论，可以看出：吸热器结构对温 度分布有很大的影响，从而将影响到氨分解反应，决 定能量的转换储存的效果。球形和圆锥形结构的吸 热器在性能上优于其他 3种结构。理论上球形结构 最适宜，但还要考虑到实际制造上的难易程度来决 定吸热器的结构。 参考文献： [1] 刘涛，林汝谋，金红光．能源利用与环境领域的研究 [J]．中国科学基金，2003，17(1)：30-33． [2] 刘志刚，张春平，赵耀华，等．一种新型腔式吸热器的 设计与实验研究[J]．太阳能学报，2005，26(3)：332- 337． [3] 陶文铨．数值传热学[M]．2版．西安：西安交通大学出 版社，2001． [4] SENDHIL K N，REDDY K S．Comparison of receivers for solar dish collector system[J]．Energy Conversion and Management，2008，49：812-819． [5] CHUI E H，RAITHBY G D．Computation of radiant heat transfer on a non--orthogonal mesh using the finite·· volume method[J]．Numerical Heat Transfer，Part B， 1993，23：269-288． [61 RAITHBY G D，CHUI E H．A finite．volume method for predicting a radiant heat transfer in enclos~ tl1 par- ticipating media[J]．J Heat Transfer，1990，112：415- 423． [7] PRABHU E．Solar trough organic rankine electricity sys- tem (STORES)stage 1：power plant optimization and economics[R]．California：National Renewable Energy Laboratory(NRE L)，2006：4-5． [8] HARRISJ A，LENZ T G．Thermal performance of solar concentrator／cavity receiver systems[J]．Solar Energy， 1985，34(2)：135—142．