[发明专利]一种塔式太阳能吸热器聚焦光斑能流密度分布的计算方法

说明书

本发明公开了一种塔式太阳能吸热器聚焦光斑能流密度分布的计算方法，利用吸热器光斑等效模型建立了塔式太阳能定日镜场的吸热器聚焦光斑能流密度动态仿真模型，根据定日镜投射光线圆锥面内平均能流密度，基于坐标旋转变换和能量叠加，换算得到吸热器接收面网格点上的能流密度值，进而得到吸热器的能流密度分布。采用本发明，不必直接计算所有网格点上的能流密度值，有效地降低了计算量，能有效降低计算时长，提高计算效率。

技术领域

本发明涉及一种塔式太阳能吸热器聚焦光斑能流密度分布的计算方法，属于吸热器优化设计技术领域。

背景技术

太阳能塔式热发电系统中存在两类基本的吸热器：外置式吸热器和腔式吸热器。外置式吸热器是一种开放式吸热腔，聚集的热量被吸收到吸热器表面，热量通过涂层和覆盖层传递到传热流体。传递的热量很大程度上取决于覆盖工作流体的管道的表面和导热系数。例如，如果管道导热系数低、厚度大将导致外表面的高温，这会增加热损失。而腔体式吸热器，吸热面位于接受腔的内部，允许太阳辐射尽可能穿透到接收器中，热量几乎直接传递给传热流体。

研究人员在过去使用蒙特卡洛法光线追踪(MCRT)方法与FLUENT软件相结合的方式分析热性能。采用基于蒙特卡洛法的光线追迹法来预测吸热器腔体内壁能量分布。蒙特卡洛法作为一种随机抽样方法，在空间物理、空气物理以及遥感和核物理等领域已经被广泛采用。近年来，也逐渐应用于辐射传热系统的计算。Rosseland近似版本的非平衡热方程被用来获得多孔介质接收器的流体入口表面上的能流分布和温度分布。Veeraragavan等提出了一个组合辐射和对流热损失系数的分析模型来研究热损失和吸热器效率，研究不同控制参数对接收器效率和系统性能的影响。

由于反射光损的存在，大量研究表明吸热器内壁吸收的太阳能后，形成非均匀的能流密度分布，且不均匀性极为显著。而非均匀的能流密度分布会导致温度的不均匀，产生局部过热，严重影响了系统的安全性及使用寿命，而均匀的能流密度分布有利于提高接收器的转换效率。王皓靖等在塔式太阳能腔式接收器光学性能模拟研究[J].热能动力工程，2017，32(11)：104-108中通过分别计算圆柱侧面与上底面的能流密度分布均匀性来分析接收器内表面能流密度分布情况。陆建峰等在Absorption and transportcharacteristicsof the concentrated solar receiver pipe[J].Acta EnergiaeSolaris Sinica，2010，31(3)：328-332中基于太阳能选择性吸收涂层的辐射性能，建立聚光太阳能吸热管光热耦合传输的数理模型，研究聚光太阳能吸热管的吸热传热特性。颜键等在Focus analysis of dish condenser based on structure characteristic andmirror unit installationerror[J].Optical Technique，2014(6)：508-514中提出了一种外域包络和网格识别的光线追踪离散方法，研究表明，镜面单元安装误差对聚焦能流密度峰值及分布特征影响显著，而结构特征及尺寸对其影响较弱，可适当增大透风间隙来改善抗风性能。

由于太阳能塔式热发电站总的定日镜面积在几万平米以上，现有的预测塔式太阳能吸热器聚焦光斑能流密度分布的方法普遍计算时间较长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种塔式太阳能吸热器聚焦光斑能流密度分布的计算方法，简化了塔式太阳能吸热器聚焦光斑能流密度分布的计算过程，能够有效的缩短计算时间。

为解决上述技术问题，本发明提供一种塔式太阳能吸热器聚焦光斑能流密度分布的计算方法，包括：

根据太阳辐照度计算定日镜反射到吸热器接收面上的光斑的光能量；

将定日镜在吸热器接收面上的光斑投影到吸热器纵向截面上，根据定日镜反射到吸热器接收面上的光斑的光能量以及吸热器接收面与吸热器纵向截面之间的夹角，计算定日镜在吸热器接收面上的投射光斑内能流密度；