一种新型腔式吸热器的设计与实验研究

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-种新型腔式吸热器的设计与实验研究2005年6月 ACIA ENERGIAE S0]ULRIs SINICA Jllly，2005
-种新型腔式吸热器的设计与实验研究
刘志刚，张春平，赵耀华，唐大伟 (中国科学院工程热物理研究所，北京100080)
摘要：根据碟式聚光镜聚光后的焦平面处辐射能能流分布图以及关键尺寸对各种热量损失的影响，设计出-
种新型高效腔式吸热器，专门用于太阳能中高温热利用与热发电。利用数学模型模拟出吸热器的热效率，并运
用实验手段加以论证。计算与实验结果表明，该吸热器热效率在内部壁面温度达到400℃时，热效率能达到85%
以上，且工作性能稳定，完全达到预期的设计要求。
关键词：腔式吸热器；热效率；热性能
中图分类号：粥12 文献标识码：A
0引 言 1腔体吸热器设计
由于太阳能具有洁净、无污染等优点，其应用
方面的研究越来越受世界各国的关注。但是到目前
为止，太阳能系统的热效率尤其是发电系统还很
低，其原因之-是集热器热量损失较高。目前太阳
能系统所使用高温集热器主要为腔式吸热器。关于
提高集热器的效率的研究-般主要集中在腔体吸热
器的热损失l删及太阳聚光器聚光后的辐射能流分
布7吨]。
B糊等人L131借文献[14]设计并试制了-台
由腔体式吸热器和槽形抛物面聚光器构成的太阳集
热器。该吸热器的缺点在于管簇和腔体内壁不相
连，加之腔体开口对管簇的角系数不足O.5，因此
大部分聚焦后的阳光直接照射到腔体内壁，而内壁
由于不像管簇那样有介质流过可将吸收的热量带
走，这就使得内壁的温度很高，导致热损失增大。
本文所设计的腔体吸热器将改进上述不足，同
时利用太阳光经聚光器聚光后在焦平面处的能量分
布设计腔体吸热器的外形，并根据文献[1-6]相
应的研究结论进行计算，确定腔体吸热器具体的尺
寸，以旧能减少热损失，提高腔体吸热器的热效
率。最后，利用电加热模拟太阳光的方法测量了该
腔体吸热器的热性能与热效率。
收稿日期：2003-09-20
腔体吸热器的形状很多bj，如图l所示，有圆
柱形、球形、椭圆形、圆锥形及复合圆锥形等。
但根据碟式聚光镜聚光后的焦平面处辐射能能
流分布图"J，见图2。选择圆锥形作为吸热器的基
本形状，因为这种形状能最大吸收进入腔体的能
量。图3为我们设计腔体吸热器的简图。
腔体吸热器热损主要有四个方面，即：腔体内
表面对聚焦光的反射热损失、腔体内表面通过采光
口的辐射损失、腔体采光口的对流热损失及腔体壁
面的导热损失。旧能的减少这四种热损失是研制
高效吸热器的关键所在。
下面是计算四种热损失的近似公式：
根据u蝴(1983)公式怛1可得出腔体的反射 热损失为：PR删D。×△PAP
1。忑南㈩ - 1-(1-口w)(1-署)J胛u
7
式中：口w--腔体壁面材料对太阳辐射的吸收系
数；A，--腔式吸热器内腔面积；A：--吸热器
采光口面积。△P。，--腔式吸热器采光口截获的
聚焦能量。
根据这个公式主要确定吸热器腔口的直径的大
小，因为腔口直径直接决定着反射热损失。