[发明专利]一种凹形靶面多孔陶瓷太阳能空气吸热器芯体

说明书

技术领域

本发明应用于太阳能热发电容积式空气吸热器，涉及陶瓷多孔材料内部导热-对流-辐射的耦合换热。

背景技术

随着太阳能热发电技术商业化进程不断推进，作为其核心设备之一的吸热器也随之不断迭代成熟。无压容积式空气吸热器是最重要的吸热器之一。容积式吸热器是指吸热器被聚焦太阳辐射能加热的过程与吸热器向工质传热的过程发生在同一表面的一类吸热器。从容积式吸热器发展伊始各国学者就持续关注着整体吸热系统、吸热器形式以及吸热芯体材料的研究，并通过大量的科学研究及工程实践在以上各个方面提升和改进了容积式吸热器的换热能力与换热效率。但是依然存在着很多问题：入口靶面上辐射热流存在严重的不均匀性；在高太阳辐射热流密度的照射下，多孔材料内部会呈现流动不稳定的特性；几乎所有测试过程中都发现陶瓷多孔材料吸热芯体会出现氧化、裂缝甚至熔化等现象。

在开环容积式空气吸热器的不同设计形式当中，陶瓷多孔材料吸热芯体几乎都以平面的形式来接收聚焦后的太阳光。从基本的传热学原理和几何光学角度来看，凹形靶面一方面可以减小散热损失，另一方面也有助于改善聚焦辐射热流分布的不均匀性，而这方面的研究还未见报道。

发明内容

为了改善辐射热流的不均匀性及流动的不稳定性，并提升吸热芯体的吸热性能，本发明在现有容积式空气吸热器技术的基础上，结合聚光靶面上辐射热流的分布特征，提出并设计了一种入口面形式的吸热芯体，使得吸热芯体在换热特性优化的同时，也具备更好的阻力特性。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种凹形靶面多孔陶瓷太阳能空气吸热器芯体，采用凹形入口面的多孔材料吸热芯体作为塔式太阳能热发电中接收聚焦光线的靶面；

吸热芯体材料是块状的圆柱形多孔材料，它的入口面为凹形靶面，沿材料直径方向凹面切面的抛物线方程为y＝c(4x²/d²-1)，其中c为凹面最大深度，d为材料直径；在吸热芯体材料的入口面处，凹面的外围有一个圆环形的加强筋。

吸热芯体采用SiC多孔陶瓷材料。

吸热芯体的孔隙密度为10PPI～30PPI。

SiC多孔材料的密度为：ρ＝2.91g·cm^-3。

SiC多孔材料的孔隙率为：ε＝0.84。

吸热芯体的厚度为30mm～50mm，直径为80mm～100mm。

多孔材料靶面的凹面开口直径为70mm～80mm，加强筋厚5～10mm。

取抛物线方程在吸热芯体厚度方向上截距的绝对值作为凹面深度，取凹面深度值为5mm～20mm。

多孔材料靶面入口面的凹面深度值为15mm时，具有最优的流动与换热综合性能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提出并设计的凹形靶面SiC多孔材料吸热芯体，由于存在对自身的角系数，从而能够有效降低辐射散热损失。

本发明提出并设计的凹形靶面SiC多孔材料吸热芯体，能够使更多的光线垂直照射到吸热芯体靶面上，从而使得光线能够更好地渗透进入多孔材料结构内部，这有利于辐射热流更深地沿着固体骨架向后导热。

本发明提出并设计的凹形靶面SiC多孔材料吸热芯体，能够使空气流经吸热芯体的温升和换热量都得到有效提升，即采用凹形靶面入口面的SiC多孔材料吸热芯体具有更好的换热性能。

本发明提出并设计的凹形靶面SiC多孔材料吸热芯体，在提升换热特性的同时，也有效降低了功耗。取在相同压降约束条件下吸热芯体内空气质量流量所对应的换热量，视为吸热芯体传热与流动的综合性能指标。入口面为最优凹面深度，即15mm凹面的多孔材料相比入口面为平面的多孔材料综合性能有很大提升，对于孔隙密度分别为30/25/20/15/10PPI的多孔材料吸热芯体，综合性能分别提升17.24％、10.92％、16.90％、8.40％和7.42％。

本发明提出并设计的凹形靶面SiC多孔材料吸热芯体，能够在一定程度上改善热流的不均匀性及流动不稳定性带来的热振及熔化等问题。

附图说明

图1为本发明实例中所述的结构示意图。

图2为本发明实例中所述的SiC多孔材料样品图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步阐述本发明，应理解该实施例仅用于说明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于申请所附权利要求所限定的范围。