CN112639375A - 通过施加腔镜和热镜涂层来减少抛物面槽式接收器的热辐射损失 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于抛物面槽式太阳能装置的接收器单元(10)。接收器单元(10)具有用于传输传热流体(14)的导管(12)和罩(16)，罩(16)围绕导管(12)定位，使得在导管和罩之间形成真空。导管(12)被设计成吸收热辐射。罩(16)具有第一部分(26)和第二部分(28)，第一部分(26)限定了窗，入射的太阳辐射(24)穿过窗(22)进入真空并到达导管(12)上，第二部分(28)承载有反射表面(20)，以便将热辐射反射回导管(12)上。本发明还涉及一种减少来自抛物面槽式接收器的热辐射损失的方法。
Description
背景技术
本发明涉及减少来自抛物面槽式接收器的热辐射损失的方法。特别地但非排他地，本发明涉及一种通过施加腔镜和热镜涂层来减少来自抛物面槽式接收器的热辐射损失的方法。本发明还涉及一种包括腔镜和热镜涂层的接收器单元。
抛物面槽式镜装置在工业上是众所周知的，并且通常用于将太阳能转换成热，其可以直接用于工业过程或用于发电。在典型的抛物面槽式镜设计中，太阳辐射会聚焦到直线的聚焦线上，瞄准接收器单元。接收器单元升温，并进而将其大部分热量给予在接收器单元内循环的传热流体(HTF)。在典型的设计中，接收器单元包括由玻璃罩(GC)封装的涂黑吸收器管(AP)。为了使对流损失最少化，在吸收器管和玻璃罩之间形成真空。为了减少传导损失，进一步将接收器管和玻璃罩之间的热接触保持为最小。在使用中，吸收器管内的传热流体(HTF)被聚集的太阳辐射加热。随后，可以将热的传热流体用于通过蒸汽循环进行发电或用于热化学应用。在这种已知的设计中，接收器单元是抛物面槽式装置中最复杂的部件之一，整个***的效率很大程度上取决于接收器单元。这种已知设计的显著缺点是，必须仔细地进行设计并以使能量损失最小的方式进行设计。
抛物面太阳能槽式集热器(collector)的效率在很大程度上取决于太阳辐射接收器的热特性。已知的是，热量损失在高的接收器温度下开始占主导地位，并且在高温下发生的占主导地位的热量损失是由来自接收器单元的热发射(IR)引起的。使热发射最少化的已知方法是在接收器单元上涂覆光谱选择性涂层，特别是在太阳光谱的可见光区域吸收良好而在热发射区域(IR)发射不良的介质膜。选择性涂层的许多不同形式及其特性在工业上是已知的。话虽如此，这种涂层通常在500℃左右会热分解，因而降低了温度上限，并且相应地降低了热效率。
为了解决热量损失，还提出了使用黑体室。但是，这些已知的减少热量损失的方法很不理想，因为仍然会发生大量的热量损失。
因此，本发明的目的是提供一种减少来自抛物面槽式接收器的热辐射损失的方法，并提供一种抛物面槽式接收器，其将至少部分地减轻上述缺点。
本发明的另一个目的是提供一种减少来自抛物面槽式接收器的热辐射损失的方法，该方法将是现有方法的有益替代。本发明的又一个目的是提供一种抛物面槽式接收器，其将是现有接收器的有益替代。
本发明的又一个目的是提供一种用于抛物面槽式接收器的接收器单元，该接收器单元将至少部分地减轻上述缺点和/或将是现有接收器单元的有益替代。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于抛物面槽式太阳能装置的接收器单元，所述接收器单元包括：
导管，所述导管用于传输传热流体，所述导管被设计成吸收热辐射；以及
罩，所述罩围绕所述导管定位，使得在所述导管和所述罩之间形成真空；
其中，所述罩具有第一部分和第二部分，所述第一部分限定了窗，入射的太阳辐射穿过所述窗进入所述真空并到达所述导管上，所述第二部分承载有反射表面以便将热辐射反射回所述导管上。
优选地，所述窗承载有用于将热辐射反射回所述导管上的热镜涂层。
所述热镜涂层可以被施加在所述窗的内表面上。
在一个实施例中，所述罩的所述第一部分和所述第二部分由管状玻璃罩限定，并且，由所述第二部分承载的所述反射表面在所述第二部分的区域中被施加至所述玻璃罩。
所述第二部分的所述反射表面可以呈红外辐射(IR)高反射表面的形式，例如铝表面的形式。
在本发明的另一实施例中，所述罩的所述第一区域中的所述窗呈所述罩中的开口的形式，并且其中，施加有所述热镜涂层的玻璃窗被承载在所述开口中。
所述罩可以呈由玻璃以外的材料制成的管状罩的形式。例如，所述罩可以呈金属管的形式，使得所述第二区域中的所述反射表面由所述金属管的内表面限定。
所述罩可以呈铝管的形式。
根据本发明的第二方面，提供了一种减少来自抛物面槽式接收器的热辐射损失的方法，所述抛物面槽式接收器具有导管和罩，所述导管用于传输传热流体，所述导管被设计成吸收热辐射，所述罩围绕所述导管定位，使得在所述导管和所述罩之间形成真空，所述方法包括：
允许入射的太阳辐射穿过所述罩中的窗、进入所述真空并到达所述导管上；以及
借助于所述罩的第二部分的反射表面将热辐射从所述罩反射回所述导管上。
所述方法可以包括将热镜涂层施加至所述窗，以将热辐射反射回所述导管上。
附图说明
现在将仅通过举例的方式，参考附图更详细地描述本发明，在附图中：
图1示出了根据本发明的形成抛物面槽式太阳能装置的一部分的在使用中的接收器单元的立体图；
图2示出了根据本发明的接收器单元的剖视图；
图3示出了图2的接收器单元的可能的传热模式的示意图；
图4示出了图2的接收器单元的不同窗尺寸；
图5示出了由仿真获得的曲线图，其指示了传热流体温度与具有不同窗尺寸的接收器单元的长度的关系；
图6示出了由仿真获得的曲线图，其指示了使用根据本发明的接收器单元的抛物面槽式集热器的综合效率；
图7示出了由仿真获得的曲线图，其指示了传热流体与根据本发明的具有不同腔镜反射率的接收器单元的长度的关系；
图8示出了由仿真获得的曲线图，其指示了使用根据本发明的具有不同腔镜反射率的接收器单元的抛物面槽式集热器的综合效率；
图9示出了由仿真获得的曲线图，其指示了传热流体与根据本发明的在窗上具有热镜涂层和不具有热镜涂层的接收器单元的长度的关系；
图10示出了由仿真获得的曲线图，其指示了使用根据本发明的在窗上具有热镜涂层和不具有热镜涂层的接收器单元的抛物面槽式集热器的效率；
图11示出了由仿真获得的曲线图，其指示了根据本发明的在窗上具有热镜涂层和不具有热镜涂层的接收器单元的外表面在100m长度处的表面温度；
图12示出了由仿真获得的曲线图，其指示了根据本发明的在窗上具有热镜涂层和不具有热镜涂层的接收器单元的外表面在200m长度处的表面温度；
图13示出了由仿真获得的曲线图，其指示了根据本发明的接收器单元与已知设计在具有375K入口温度的传热流体的出口温度方面的比较；
图14示出了由仿真获得的曲线图，其指示了使用根据本发明的接收器单元的抛物面槽式集热器与已知设计在效率方面的比较；
图15示出了在测试本发明的接收器单元时使用的实验装备的示意图；
图16示出了在测试本发明的接收器单元时使用的实验装备的右侧的示意图；
图17示出了在测试期间使用的本发明的接收器单元的局部剖视示意图；
图18示出了指示实验测试结果的曲线图，其中，功率密度相对于测量的温度和仿真的温度进行绘制。
从仿真获得的图5至图14的曲线图适用于根据本发明的接收器单元的特定的示例性实施例。特别地，这些曲线图通过使用如下所述的表1中列出的设计参数来获得。
具体实施方式
在详细解释本发明的任何实施例之前，应当理解，本发明的应用不限于在以下描述中阐述或在附图中示出的部件的详细构造和布置。本发明能够具有其他实施例并且能够以各种方式被实践或执行。另外，应当理解，本文所使用的措词和术语是出于描述的目的，而不应被认为是限制性的。本文中“包括”、“包含”或“具有”及其变化的使用意在涵盖其后列出的项目及其等同物以及其他项目。除非另有说明或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变化被广义地使用，并且涵盖直接的和间接的安装、连接、支撑和联接，因此旨在包括两个构件之间的没有任何其他构件介于其间的直接连接，以及构件之间存在一个或多个其他构件介于其间的间接连接。此外，“连接”和“联接”不限于物理的或机械的连接或联接。另外，词语“下”、“上”、“向上”、“向下”和“朝下”表示附图中所参考的方向。术语包括上面具体提到的词语、其派生词以及用词或类似含义。注意，如在本说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”以及任何词语的任何单数使用包括复数个指示物，除非清楚地且明确地限于一个指示物。如本文所使用的，术语“包括”及其语法变化旨在是非限制性的，使得列表中的项目的列举不排除可以替换或添加到所列项目的其他类似项目。
参照附图，其中相似的附图标记指示相似的特征，根据本发明的用于抛物面槽式太阳能集热器的接收器单元的非限制性示例总体上由附图标记10指示。
图1示出了形成太阳能装置的一部分的抛物面槽式集热器100的立体图。集热器100具有由可移动框架104承载的曲面镜102。接收器单元10，也称为集热器元件，安装在曲面镜102的焦点处，以通过接收器单元10最佳地吸收太阳辐射。
在图2的剖视图中更详细地示出了接收器单元10的构造。从该图可以看出，接收器单元10包括用于传输传热流体14的导管12。在接收器单元10的优选实施例中，导管12呈沿着抛物面槽式集热器100的长度延伸的管的形式。管12被设计成吸收太阳辐射或热辐射。可以设想，管12可以是涂黑的管。由于其吸收太阳辐射的特性，管12也被称为吸收器管。
如图2所示，管12沿着接收器单元10的纵向中心线延伸。罩16围绕管12定位。在所示的接收器单元10的实施例中，罩呈管状罩的形式。
类似于管12，罩16沿着抛物面槽式集热器100的纵向长度延伸。管12和罩16优选地布置成使得它们是同心的。
接收器单元10在管12和罩16之间具有体积空间或腔18。为了使接收器单元10中发生的对流损失最小化并由此提高抛物面槽式集热器100的效率，管12和罩16之间的腔18内形成真空。
仍然参照图2，可以看出，罩16的至少一部分承载有反射表面20，用于将太阳辐射或热辐射反射到吸收性管12上。在优选实施例中，反射表面20例如呈通常在红外辐射(IR)范围内高反射的镜表面(比如铝表面)的形式。镜20优选地由罩16的内表面承载。在该实施例中，镜表面20是不透明的，以便使穿过罩16的太阳辐射损失最小化。考虑到镜表面20围绕腔18，镜表面20也被称作腔镜20。在接收器单元10的所示实施例中，腔镜20承载有高反射铝表面。然而，应当理解，铝只是可以从内侧抛光成高反射材料的材料的一个示例，并且可以使用具有类似特性的其他材料。因此，本发明不限于铝表面。
接收器单元10还具有窗22，在使用中，入射的太阳辐射穿过该窗22。如图2中的箭头24所示，太阳辐射穿过窗22，进入真空18并到达吸收性管12上。应当理解，太阳辐射仅在窗22的区域中穿过罩16。施加到罩16的在窗22的区域之外的内表面区域上的镜表面20阻碍太阳辐射穿过罩16。换言之，罩16具有限定了允许太阳辐射穿过的窗22的第一部分26以及阻碍或防止太阳辐射穿过的第二部分28。窗22位于第一部分26中，并且镜面20在第二部分28的区域中被施加到罩16。从图2应该理解，第一部分和第二部分是管状罩16的圆周部分，并且沿着罩16的纵向长度延伸。
窗22的尺寸，即窗22的圆周长度或拱形长度，可以在约5.4cm和约18cm之间的范围内(抛物面槽的设计参数可以在表1中找到)。
在接收器单元10的优选实施例中，窗22、即罩16的第一部分26承载有热镜涂层30，用于将热辐射反射回管12上。在使用中，热镜涂层30允许太阳辐射(可见光辐射)从外部透射到吸收器管12上，并将从吸收器管12发射的热辐射(IR)反射回管12上。在此特定应用中，热镜涂层30允许太阳辐射穿过窗22进入真空18，但反射热辐射(IR)并防止热辐射穿过窗22离开真空18。
应当理解，在窗22上使用热镜涂层是可选的。尽管在窗22上使用热镜涂层提高了接收器单元10的效率，可以相信的是，由于罩16的第二区域28中的高反射表面20，即使在窗22上没有涂层，接收器单元10也比已知的接收器单元提供更好的结果。
已经发现，接收器单元10的设计，特别是窗22的设计，包括热镜涂层30的使用，显著降低了来自接收器单元10的热损失。继而，热损失的减少提高了接收器单元10的效率，并因此提高了抛物面槽式集热器100的效率。
尽管已经将高反射镜表面20描述为施加至罩16的内表面上的层，但是可以设想，镜表面20可以一体地形成为罩16的一部分。例如，罩16的第二部分28可以由镜表面材料(例如在该特定实施例中为铝)制成。因此，第一部分26可以由玻璃(例如硼硅酸盐玻璃)制成，第二部分28可以由玻璃以外的材料(例如铝)制成。在罩由玻璃以外的材料制成的实施例中，窗22可以呈玻璃窗的形式，该玻璃窗位于罩的壁中的开口中。可替代地，在反射表面20作为层施加至罩16的内表面上的实施例中，整个罩16可以由玻璃制成。
从本发明的以上描述，应该理解，热镜涂层具有两个显著的优点：热镜涂层透射太阳辐射(即可见光)，并且反射热辐射(即IR辐射)。因此，优选的是，仅在腔窗22上施加热镜涂层，而在罩的第二区域28中使用高反射材料，例如抛光的铝表面或在表面20上安装一层抛光铝片。
可以相信的是，除了提高效率外，本发明的接收器单元或接收单元10还提供了优于已知接收单元的其他优点。例如，使用全玻璃的罩16的实施例避免了例如金属-玻璃界面问题和真空泄漏。总的来说，本发明的接收器单元10提供了一种具有成本效益的解决方案，该解决方案具有优异的抗断裂性并且易于维护。
可以想到的是，反射表面20可以采取提供耐热性的镜片以及抗腐蚀和具有耐候性的保护层的形式。已经发现，目前由ALANOD GmbH&Co.KG以商标
销售的反射片有效地起作用。由镜片提供的反射表面20具有95％的总的光反射率。
本发明的接收器单元的理论分析
通过使用仿真代码在理论上研究了本发明的接收器单元10的设计。仿真结果表明，与当前行业中使用的已知设计相比，接收器单元10的设计可以显著地超出传热流体14的温度上限，并因此可以提高整个太阳能集热器***的效率。
理论与仿真研究
简要回顾***的总传热及其部件之间的相互作用。所使用的模型的物理基础始于对热相互作用的完整描述(其在图3中示出)，然后将能量守恒原理应用于接收器单元10的部件之间的热相互作用。
由于太阳辐射q′Sol、对流q′Conv、辐射q′Rad和传导q′Cond引起的净热通量在稳态条件下利用下述能量平衡关系进行计算：
(∑q′Sol+∑q′Conv+∑q′Cond+∑q′Rad)ij＝0。 (1)
使用有限体积法(FVM)将吸收器管12、玻璃罩16和传热流体14离散成控制体积(CV)。吸收器管12和玻璃罩16沿方位角方向和纵向方向离散，但是传热流体14仅沿纵向方向离散。对于每个控制体积(CV)，等式(1)均成立。
结果
考虑了热镜20相互作用的接收器单元10的理论模型已在Kaluba V S and FerrerP；2016；A model for hot mirror coating on solar parabolic trough receiversJ.Renew；Sustain.Energy；8,053703[1]中被推导。在这种情况下，为了满足腔的要求，对[1]中介绍的仿真代码进行了编辑。
使用两种方法进行了仿真验证。首先，选择物理场景的仿真参数，在这些物理场景中，可以通过其他方式得出结果。选择了零辐射情况、零材料传导率、零传热流体对流系数以及零吸收器表面发射率。结果符合理论预期。其次，对于选择性涂层，将仿真结果与现有实验数据进行比较后，发现该比较令人鼓舞地接近(差异小于0.7％)。所使用的操作条件和设计参数模拟了SEGS LS2(Hachicha AA,Rodríguez I,Capdevila R and Oliva A；2013；Heat transfer analysis and numerical simulation of a parabolic trough solarcollector Appl.Energy；111,581–92)。它们在下面的表1中示出。
| 参数 | 值 |
| 集热器孔径(W) | 5m |
| 焦距(f) | 1.84m |
| 吸收器内径 | 0.066m |
| 吸收器外径 | 0.07m |
| 吸收器发射率(IR) | 0.15 |
| 玻璃内径 | 0.109m |
| 玻璃外径 | 0.115m |
| 玻璃发射率(IR) | 0.86 |
| 接收器吸收率(可见光) | 0.96 |
| 玻璃透射率(可见光) | 0.93 |
| 抛物面镜面反射率 | 0.93 |
| 入射角 | 0.0 |
| 太阳辐射照度 | 933.7W/m<sup>2</sup> |
| 传热流体 | 熔融盐 |
| 质量流率* | 0.34Kg/sec |
| 传热流体温度(入口) | 375.35K |
| 环境温度 | 294.35K |
| 风速 | 2.6m/s |
| 腔镜的反射率<sup>*</sup> | 0.95 |
| 热镜反射率(IR)<sup>*</sup> | 0.85 |
| 热镜透射率(可见光)<sup>*</sup> | 0.875 |
表1-仿真中使用的接收器单元的设计参数
[2].*代表腔设计要求。
窗尺寸对温度和***效率的影响
窗22是接收器单元10的唯一辐射进入窗，在窗22处，聚集的太阳辐射可以进入并被吸收器管12吸收。为了设计该***并优化效率，研究了窗尺寸对效率和传热流体14的温度的影响。如图4(a)至图4(d)分别所示，使用了四种不同的窗尺寸(弧长度)，即18cm、12.6cm、9cm、5.4cm，分别相当于50CVs、35CVs、25CVs和15CVs的长度。
在图5的曲线图中，表明了：对于375K的传热流体入口温度，沿着接收器单元10的长度的传热流体14的轴向温度变化。可以看出，温度大致呈线性上升，然后趋于平缓而接近停滞温度(stagnation temperature)(这里太阳能输入等于热发射损失)。这表明了窗尺寸越小，可以达到的温度越高。接收器单元10的最大传热流体14温度在50CVs时上升至接近1300K，在10CVs时上升至接近1490K。
图6的曲线图示出了下述综合效率：该综合效率是经由集热器100的抛物面镜入射到接收器单元10上的太阳辐射与向传热流体14的传热率之间的比率。该曲线图是指呈聚集的太阳辐射形式的能量中的可以通过抛物面槽式集热器100转换为热能的百分比。从该图可以看出，使用接收器单元10的抛物面槽式集热器100的效率随不同的窗22尺寸而变化。已经发现，相比于较大的窗尺寸，较小的窗22尺寸达到更高的效率。
腔镜反射率对传热流体温度和***效率的影响
接收器单元10的基本腔设计原则是通过比已知的接收器单元更有效地将热辐射反射回吸收器管12上来捕获热发射。这意味着腔镜20的反射率是设计中的重要参数，因此，研究反射率如何影响***效率和传热流体14的温度是重要的。这通过对使用5.4cm(10CVs)的窗尺寸具有三种不同的腔镜20反射率值(即92％、95％和98％)的接收器单元10的设计进行仿真来研究。
可以看出，图7的曲线图中所绘制的变化过程类似于图5中所绘制的变化过程，但是沿着接收器单元长度，腔镜20的反射率(R)的影响显著高于不同窗尺寸的影响。对于接收器单元10的设计，最大传热流体14温度在R＝92％时达到大约1290K，在R＝95％时达到大约1370K，并且在R＝98％时达到大约1490K。
如图8所示，腔镜20的反射率对抛物面槽式集热器100的效率有很大影响。
窗上的热镜涂层的影响
如上所述，窗22是罩16的壁上唯一可能使大量的热辐射逃逸出腔18的地方。根据本发明，这种损失通过在玻璃罩16的内部在窗22上涂覆热镜涂层30来减少。热镜涂层30的附加效果是降低了玻璃罩16的温度，从而使热应力最小化。为了评估在窗22上施加热镜涂层30的重要性，在腔镜反射率R＝98％和使用5.4cm的窗尺寸的情况下，对在窗22上具有热镜涂层30(W)和不具有热镜涂层30(WO)的***进行了仿真。
图9所示的结果表明，窗22上的热镜涂层30在较高温度下对传热流体14的温度具有很大影响。使用不具有热镜涂层30的窗22时，最高温度达到约1190K，而使用被热镜涂层30覆盖的窗22时，最高温度达到约1490K。考虑到热镜涂层30对***效率的影响，图10的结果显示，窗22上的热镜涂层30有效地起作用，特别是在较高的温度下与不具有热镜涂层的窗相比。在接收器单元10长度小于40m的区域中，不具有热镜涂层的***的效率高于具有热镜涂层30的***。这是由于热镜涂层30反射了一小部分太阳光谱，因此入射到吸收器管12上的太阳辐射减少。在较高的温度下，这种负面影响被由于热镜涂层30而减少的热量损失所补偿。
热镜涂层的其他益处
窗22在较高的温度下受到热应力，窗22上的热镜涂层30是一种通过将热辐射反射回吸收性管12上来减小该热应力的方式。为了研究围绕包括窗22的罩16的圆周的温度分布并分析热镜涂层30在较高温度下的表现，对接收器单元10的不同长度处的围绕腔18的圆周(即包括窗22的罩16的圆周)的温度分布进行了仿真。
图11和图12示出了在窗22上具有热镜涂层30(W)和不具有热镜涂层30(WO)的情况下围绕腔18的外表面的温度分布。角度180°直接指向远离太阳的方向(并且指向抛物面镜102的中央)。在接收器单元10的100m长度处和200m长度处，窗22处的温度分别变化大约15度和100度。因此，大部分热损失将出现于辐射进入窗22，即出现于第一部分26。与不具有热镜涂层的窗相比，窗22上的热镜涂层30有助于减少热损失。在其余圆周上(即在第二部分28中)，温度差异相对较小。
本发明的接收器单元与已知的包括选择性涂层和无涂层的接收器单元之间的比
较
本发明的接收器单元10通过将其性能与已知的在吸收性管12上包括选择性涂层的接收器单元或在管上完全没有涂层的接收器单元(即裸露的接收器单元)进行比较来评估。还对不具有涂层和具有选择性涂层的接收器单元进行了仿真。
图13的结果显示了沿着接收器单元10的长度的传热流体14的温度。应当注意，如前所述，吸收性管12上的选择性涂层材料将在大约680K化学分解，因而其长度将被限制为<100m。因此，本发明的接收器单元10具有超越选择性涂层温度上限的限制的能力。图14所示的结果清楚地表明，与使用已知接收器单元的集热器相比，使用根据本发明的接收器单元10的抛物面槽式集热器100具有更高的效率。
结论
接收器单元10在较高温度下的性能非常好，并且理论上能够超越1400K的限制，因此由于其热稳定性而优于当前技术。这进而可以提高整个太阳能集热器装置的整体效率(朗肯效率)。影响温度分布和效率的其他重要参数包括窗22的尺寸和腔镜20的反射率。随着窗22的尺寸减小，传热流体14温度和效率增加。腔镜20的反射率对温度和效率都有显著的影响。窗22上的热镜涂层30的存在对于减小较高温度下的热应力以及降低该区域(即第一部分26)中的热辐射损失具有重要作用。这进而有助于提高接收器单元10的效率，从而有助于提高太阳能集热器100的效率。
实验装备和测试的说明
使用图15中所示的实验装备对接收器单元10进行了测试。被测试的接收器单元10的长度在25℃时约为2.7m(但其在300℃时会膨胀约9mm)。接收器单元10包括外径约为32mm且内径约为28mm的低碳钢吸收器管12，以及外径约为58mm且内径约为54mm的由派热克斯玻璃制成的两段式罩16。玻璃罩区段各自具有1.35m的长度，以构成2.7m的总长度。这些玻璃罩段用吸收器管12中央的黄铜区段连接在一起。使用耐火高温硅将中央黄铜段、玻璃罩段和吸收器管真空密封在一起。在该实验中，高温硅还充当连接处之间的热绝缘体。
接收器单元的吸收器管内部的两个加热元件32使传热流体(HTF)温度达到所需的测试温度。吸收器管本身充满了模拟传热流体的沙子。加热元件功率使用自耦变压器来调节。加热元件32的长度均为约1.2m，外径约为8mm，并且在吸收器管12内电连接。为了防止加热元件32接触吸收器管12，使用了间隔件34，以使加热元件居中。这些间隔件34由钢制成，并且具有朝向吸收器管内表面的尺寸较小且尖锐的边缘，以使通过它们的热传导损失最小化。
一旦接收器单元10达到稳态温度，维持传热流体温度所需的电功率等于该温度下接收器单元的热损失。
此外，沿着接收器单元10的温度是近似不变的(在几度内)。测试了不同温度下接收器单元10的热损失，其对应于加热元件32产生的从50W到2kW以大约50W的增量增加的加热功率。热损失被报告为接收器单元10的功率密度(瓦特每米)。
使用四个热电偶36.1至36.4，通过测量吸收器管12和玻璃罩16的外表面在沿着接收器单元的长度的两个点处的温度，来确定接收器单元10的平均温度和加热情况。吸收器管12和玻璃罩16的温度各自使用两个和四个K型热电偶来测量。在热电偶36.1至36.4与表面之间提供了良好的接触，以确保精确的测量。根据温度信息，可以确定向环境的热损失。
参照图16，热电偶线38用耐热编织管绝缘，并在端部处组合在一起。热电偶线38的端部连接到控制和测量单元40。此外，制出了穿过端件42的两个孔，以使吸收器管热电偶线能够通过真空密封出口连接到控制和测量单元。控制和测量单元40允许根据温度要求控制和调节加热器功率。
数值模型和算法描述
热能的来源是具有恒定发热率的电阻加热器线32，并且可以通过自耦变压器来改变。图17显示了***的总的传热及其部件之间的相互作用。全面描述热相互作用的理论模型和数值模型与上面在应用非均匀太阳辐射通量的情况下所讨论的模型相同，除了以下差异：热通量的来源来自吸收器管外表面，因为均匀的加热元件32是从内侧附接到吸收器管12。这意味着在计算中没有理由考虑传热流体，因此对流传热项
从所有吸收器管控制体积(APCV)的能量平衡方程中移除。另外，APCV上的太阳辐射的截获
变为了APCV上加热元件32的发热功率，而腔CV上没有太阳辐射的截获
因此，在稳定的操作条件下，吸收器管12和外玻璃罩16达到不同的停滞温度，但是它们是等温的。此外，接收器单元10中每个元件的热损失和热增量必须等于加热元件32的总发热率Egen。
其中，
是从玻璃罩16向周围环境的传热率，
是通过玻璃罩16层的传导，
是从吸收器管12向玻璃罩16的传热。
由于环境温度总是已知的，因此计算从向环境的热损失开始。最初，以迭代的方式猜测未知的外玻璃罩16的表面温度Tg，，直到满足
的稳定操作条件为止。如上述理论分析中所讨论的，耗热率
包括从玻璃罩16到周围环境的自然对流和辐射传热。计算期间的空气特性以
进行选择。
于是，可以计算出Tg，，在Tg，处，由于通过玻璃罩16的传导引起的热损失率与Egen相等。以同样的方式，通过迭代估计Tab，，直到满足
其中，
包括吸收器管12和玻璃罩16之间通过对流和辐射的传热率。真空环内的对流传热被忽略。
结果
实验和仿真的结果如图18所示。功率密度以瓦特每米为单位在竖向轴上显示，测量和仿真的温度以摄氏度为单位在水平轴上显示。显示了实验结果(EXP)和仿真结果(SIM)。可以看出，关于玻璃罩16的实验结果和仿真结果的最大偏差小于3％，而关于吸收器管12的实验结果和仿真结果在大约500℃时最大偏差6％，其中仿真低估了温度。
结论
实验装备和测试的结果表明，从仿真获得的结果得到了有力的支持。因此，有充分的证据支持本发明的接收器单元10的如上所述的优于已知接收器单元的优点。特别地，实验结果支持了仿真结果，该仿真结果表明本发明的接收器单元10所达到的效率比使用已知接收器单元所达到的效率更高。因此，本发明的接收器单元10使太阳能集热器100能够有更高效率。
将理解的是，对图示实施例的以上描述，在理论分析中使用的实施例和在实验测试中使用的实施例仅提供了本发明的一些实施例，并且在不脱离本发明的精神和/或范围的情况下，可以有许多变化。从本申请中容易理解的是，如在附图中大体上描述和图示的本发明的特定特征可以根据各种不同的配置来布置和设计。以此方式，本发明的描述和相关附图并非提供为限制本发明的范围，而仅仅表示所选的实施例。
本领域技术人员将理解，给定实施例的技术特征实际上可以与另一实施例的特征相结合，除非另有说明或这些特征很显然不兼容。另外，除非另有说明，在给定实施例中描述的技术特征可以与该实施例的其他特征孤立开。
Claims (12)
1.一种用于抛物面槽式太阳能装置的接收器单元，所述接收器单元包括：
导管，所述导管用于传输传热流体，所述导管被设计成吸收热辐射；以及
罩，所述罩围绕所述导管定位，使得在所述导管和所述罩之间形成真空；
其中，所述罩具有第一部分和第二部分，所述第一部分限定了窗，入射的太阳辐射穿过所述窗进入所述真空并到达所述导管上，所述第二部分承载有反射表面以便将热辐射反射回所述导管上。
2.根据权利要求1所述的接收器单元，其中，所述窗承载有用于将热辐射反射回所述导管上的热镜涂层。
3.根据权利要求2所述的接收器单元，其中，所述热镜涂层被施加在所述窗的内表面。
4.根据权利要求2或3所述的接收器单元，其中，所述罩的所述第一部分和所述第二部分由管状玻璃罩限定，并且其中，由所述第二部分承载的所述反射表面在所述第二部分的区域中被施加至所述玻璃罩。
5.根据权利要求4所述的接收器单元，其中，所述第二部分的所述反射表面呈红外辐射(IR)高反射表面的形式。
6.根据权利要求5所述的接收器单元，其中，所述第二部分的所述反射表面呈铝表面的形式。
7.根据权利要求2或3所述的接收器单元，其中，所述罩的所述第一区域中的所述窗呈所述罩中的开口的形式，并且其中，施加有所述热镜涂层的玻璃窗被承载在所述开口中。
8.根据权利要求7所述的接收器单元，其中，所述罩呈由玻璃以外的材料制成的管状罩的形式。
9.根据权利要求8所述的接收器单元，其中，所述罩呈金属管的形式，使得所述第二区域中的所述反射表面由所述金属管的内表面限定。
10.根据权利要求9所述的接收器单元，其中，所述罩呈铝管的形式。
11.一种减少来自抛物面槽式接收器的热辐射损失的方法，所述抛物面槽式接收器具有导管和罩，所述导管用于传输传热流体，所述导管被设计成吸收热辐射，所述罩围绕所述导管定位，使得在所述导管和所述罩之间形成真空，所述方法包括：
允许入射的太阳辐射穿过所述罩中的窗、进入所述真空并到达所述导管上；以及
借助于所述罩的第二部分的反射表面将热辐射从所述罩反射回所述导管上。
12.根据权利要求11所述的方法，包括将热镜涂层施加至所述窗，以将热辐射反射回所述导管上。
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Application publication date: 20210409 |
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