吸热表面热辐射特性对太阳能腔式吸热器热效率的影响.pdf 12页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn吸热表面热辐射特性对太阳能腔式吸热器#热效率的影响1222**屠楠，方嘉宾，魏进家，杜轩成5（1.西安工程大学电子信息学院，西安710048；2.西安交通大学化学工程与技术学院，西安710049）摘要：太阳能腔式吸热器是塔式热发电系统中实现将聚光后的高热流密度太阳能转换为工质高温热能的关键设备，其内部涉及到复杂的光热转换以及能量吸收传递的过程。本文以一个10典型结构的饱和水工质太阳能腔式吸热器作为研究对象，建立了具有选择性吸收特性表面的太阳能腔式吸热器热性能的耦合计算模型。利用该模型，数值研究了吸热器内部半灰吸热面的热辐射特性对其热性能的影响。结果表明增大吸热面对太阳辐射的吸收率能显著提高吸热效率；与吸热面暴露在外部环境中的吸热器不同，吸热面自身的热发射率对腔式吸热器热效率的影响趋势取决于吸热面与闲置腔体壁面之间的宏观传热方向，并不单一地表现为热发射15率增大则热损失也增大以致热效率降低的规律。该研究可为高聚光比下的塔式太阳能热发电系统中腔式吸热器内部吸热面覆盖涂层的设计和选择提供理论依据。关键词：太阳能热发电；腔式吸热器；吸收率；发射率；热效率中图分类号：TM61520EffectofThermalRadiationCharacteristicsonThermalEfficiencyofaSolarCavityReceiver1222TUNan,FANGJiabin,WEIJinjia,DUXuancheng(1.SchoolofElectronicsandInformation,Xi"anPolytechnicUniversity,Xi"an710048;2.SchoolofChemicalEngineeringandTechnology,Xi"anJiaotongUniversity,Xi"an710049)25Abstract:Solarcavityreceiverisakeycomponentinthesolartowerpowersystem,whichconvertssolarradiationenergyintothermalenergy.Thesolar-thermalconversionandheattransferprocessesinsidethereceiverareverycomplicated.Asaturatedwater/steamsolarcavityreceiverwithtypicalgeometrywaschosenastheresearchobjectinthispaper.Acouplingmodelwasestablishedforcalculatingthethermalperformanceofthereceiver.Theselectiveabsorptioncharacteristicsofinternal30surfacesinsidethereceiverwereconsidered.Bythiscalculationmodel,theeffectofthermalradiationcharacteristicsofsemi-grayabsorbersurfacesonthethermalperformanceofthereceiverwereinvestigated.Theresultsdemonstratedthatthethermalefficiencyofthereceivercanberemarkablyenhancedbyincreasingthesolarabsorptivity.Theinfluenceofthermalemissivityonthethermalefficiencyofthereceiverdependsontheinfraredheattransferdirectionatmacrolevelbetweenthe35absorbersurfacesandvacantcavitywalls,whichmeansthattheincreaseofthermalemissivitymaynotnecessarilyleadtothedecreaseofthermalefficiency.Thisisdifferentfromtheotherreceiverswhoseabsorbersurfacesareexposedintheair.Thepresentworkcanprovidetheoreticalbasisforthedesignandselectionofcoatingsonabsorbersurfacesinsidethesolarcavityreceiver.Keywords:solarthermalpower;cavityreceiver;absorptivity;emissivity;thermalefficiency400引言太阳能吸热器是塔式太阳能热发电系统中的关键设备，其作用是将定日镜场聚焦反射的高热流密度太阳能转换为工作介质的高温热能，为发电系统提供动力源。根据集热原理的不基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金(20130201110043)；国家自然科学基金青年项目（51506173）作者简介：屠楠（1987-），女，副教授，主要研究方向：太阳能热发电技术通信联系人：魏进家（1971-），男，教授、博导，主要研究方向：太阳能热发电技术，湍流减阻与强化传热.E-mail:jjwei@xjtu.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn同，吸热器分为外置式和腔体式两种。其中，腔式吸热器因其换热表面积大，且热损失低的45优势，被广泛应用于塔式集热系统中。作为实现光热转换的关键设备，太阳能腔式吸热器热性能的好坏直接关系到整个发电系统的安全性、稳定性和经济型。对于几何结构确定的腔式吸热器，如果给定定日镜阵列的排布，吸热器内部的辐射换热就只与其内表面的热辐射特性有关。在这种情况下，辐射表面的吸收率和发射率决定了吸热器内部热流密度和温度的分布以及热效率等热性能参数。因此，研究腔式吸热器内表面热辐50射特性对其热性能的影响，可以有效强化其内部的辐射换热，对提高吸热器的光热转换效率[1]起到重要作用。迄今为止，国内外已有多位学者开展了这方面的研究工作。Kesselring等人在其著作中提到，对于腔式吸热器，在吸热管表面覆盖一层对太阳辐射具有高选择性吸收的[2]涂层可以有效提高热效率。文玉良等人在2009年研究了不同聚光比下的吸热器表面吸收涂层的辐射性能。发现对于线性菲涅尔式和抛物面槽式聚光吸热器，由于聚光比相对较低，55应采用选择性吸收涂层，在提高吸热效率的同时使吸热管的温度升高；而对于高聚光比的塔式和碟式系统的吸热器，其吸热表面温度较高，应采用对太阳辐射具有高吸收率的耐高温涂[3]层。Li等人在2010年提出了腔式吸热器在稳态条件下热性能的计算模型，利用该模型可以方便地获得吸热器的辐射、反射、对流和导热热损失。他们还分析了吸热表面的发射率和反射率对吸热器热效率的影响，结果显示吸热效率随反射率变化显著，而对于发射率的变化[4]60并不敏感。Hall等人在2012年的研究中指出聚光式太阳能热发电系统中高温吸热器表面理想的选择性吸收涂层应具有在空气中稳定、成本低、吸收率高并且发射率低等特性。目前被广泛使用的高温涂层为美国的Pyromark2500系列，该涂层对太阳辐射具有高达0.96的吸收[5]率。同年，Teichel等人数值计算了腔式吸热器内部漫射表面的半灰辐射换热，并研究了腔体内部吸热表面的吸收率和发射率对吸热器热性能的影响。结果表明吸热表面在阳光波段应65具有高的吸收率，在热辐射波段应具有低的发射率，而对于腔体内部的非吸热表面，在全波[6]段范围内都应具有高的反射率。本人针对腔式吸热器内部吸热表面热流密度呈现的高度非均匀分布，于2015年提出了吸热表面吸收系数的分区策略，并根据辐射热流密度梯度设计了吸热管吸收系数的优化分布方式，有效提高了吸热表面热流密度分布的均匀性。太阳能腔式吸热器与其它聚光式太阳能热发电（CSP）系统中的吸热器相比在结构上最70大的不同是吸热表面并没有暴露在外部环境中，而是被腔体包围在内部，并且腔体内除了吸热表面外还存在未布置吸热管的闲置壁面。吸热表面除了吸收来自开口的太阳辐射以及通过开口与外部环境进行热交换外，与闲置腔体壁面之间也存在辐射换热，故腔式吸热器内部吸热表面的热辐射特性对其热性能的影响更为复杂。此外，以往的研究通常将吸热器的辐射表面看作灰体，而事实上，吸热器中所涉及的热辐射问题同时包括太阳辐射和低温壁面的红外75辐射，由于二者辐射特性差异显著，并不能简单地采用灰体模型来计算辐射换热。本文充分考虑了吸热器内表面对不同波长能量的选择性吸收，通过建立具有选择性吸收特性表面的太阳能腔式吸热器热性能计算模型，来研究吸热表面的热辐射特性对吸热器热性能的影响。-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn801计算模型太阳能腔式吸热器在稳态运行过程中涉及到三个方面的换热。腔体内部的辐射换热、吸[7,8]热管内的相变沸腾换热以及吸热器与周围空气间的对流换热。我们课题组方嘉宾等人通过耦合上述三方面换热，提出了一套用来评价太阳能腔式吸热器热性能的数学模型，本文在该模型的基础上，充分考虑了吸热器内表面对不同波长能量的选择性吸收作用，根据太阳辐85射和热辐射特性的显著差异，进一步提出了用两波段近似方法建立的界面吸收、反射半灰概率模型来替代之前的灰体模型，修正了原模型中的辐射热交换模块，最终建立起能够计算具有选择性吸收特性表面的太阳能腔式吸热器热性能的数学模型。以下对该模型进行简要介绍，有关我们课题组原模型的介绍详见文献[7]和[8]。1.1改进蒙特卡罗光线追迹法计算吸热器内部的辐射换热90蒙特卡罗光线追迹法（MCRT）是计算复杂几何结构内辐射换热的最主要方法，对各种几何结构的吸热器都具有较强的适应性。同时当吸热器内部的非黑体表面需要考虑对波长的选择性吸收时，该方法依然能够胜任此复杂辐射过程的计算。改进的蒙特卡罗光线追迹法也即光束不携带能量法，该方法引入辐射传递因子的概念，将辐射单元间的相对位置、几何形状以及辐射表面的特性等物理量与温度分离开来。采用该方法计算辐射换热分为两个步骤：95第一步是通过概率模拟求解系统中各单元的辐射传递因子，第二步是求解以辐射传递因子表达的能量平衡方程组。1.1.1蒙特卡罗概率模拟计算辐射传递因子在概率模拟中研究对象被划分为多个单元（包括面单元和体单元），首先令每个单元发射一定数目的光束，之后跟踪、统计每束光束的归宿，即判断其是否被介质和界面所吸收或100者是否从系统中逸出，最终得到该单元吸收光束数目的统计结果。在一个辐射传输系统中任意两个单元i和j之间的辐射传递因子RDij的定义为，单元j吸收由单元i发射的光束数目与单元i自身发射的总光束数目的比值。其表达式应为：NijRD（1）ijNi与角系数相比，辐射传递因子不仅与几何因素有关，还与表面的热辐射特性密切相关。为了105获得每个单元的辐射传递因子，在概率模拟中需要建立光束随机发射点和发射方向，以及界面吸收、反射的概率模型。其中，光束随机发射点和发射方向的概率模型请参考文献[7]和[8]，这里仅介绍界面吸收、反射的概率模型。当光束投射到不透明表面时，会发生吸收或反射现象，这时界面对给定波长的吸收、反射概率模型为：R()则光束被吸收110（2）()R1则光束被反射其中，Rα为[0,1]区间内均匀分布的随机数，α(λ)为物体表面的光谱吸收率。在以往的研究中，-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn通常将吸热器内表面作为灰体，即在全波段范围内α(λ)为常数。然而，当研究物体表面同时涉及对太阳和红外热辐射的吸收时，通常不能将该表面视为灰体。本文的研究对象太阳能腔式吸热器内表面会同时吸收太阳能和红外热辐射能，因此，界面吸收、反射的灰体模型并不115能准确描述吸热器内的辐射换热过程。太阳辐射可以近似于温度为5800K的黑体辐射，太阳能腔式吸热器内表面的温度大约为300~600℃。图1分别列出了当T=5800K时，象征太阳辐射的特征曲线，以及表面温度在573~873K范围内象征吸热器内表面热辐射的曲线。可以看出，太阳辐射和吸热器内表面的热辐射在不同波段内具有各自的特征峰值，且二者发生重叠的波段范围很窄。图中与纵坐120标平行的线对应位置的波长为2μm，将整个波长范围划分为两部分，在波长小于2μm的范围内，几乎全部为太阳辐射的光谱分布，而在大于2μm的范围内，热辐射占据主体分布。图1黑体光谱辐射力与总辐射力的比值在特定温度下随波长的变化Fig.1Reducedspectralemissivepowerasafunctionofwavelengthunderspecificsurfacetemperature125表1列出了将太阳和吸热器内表面均看作黑体辐射时，在某个特定的波段范围内，辐射能量占总能量的百分数，也即黑体辐射函数值。从表中可清晰地看出，大约94%的太阳辐射能量都集中在0~2μm的波段范围内，而对于吸热器内表面的热辐射，当表面温度为873K时，仅有3.35%的能量落在该波段内，约为96.65%的能量则分布在大于2μm的波段范围内，并且当吸热器表面温度越低，在此波段内，热辐射能量所占百分数也越来越大。当表面温度为130573K时，该比例高达99%左右。表1太阳和热辐射在特定波段内占总辐射的百分数Tab.1Proportionofsolarandthermalradiationenergywithinspecificwavelengthbands辐射波段范围（0-λstep）0-2μm0-3μm0-4μm0-5μmF94.02%97.90%99.04%99.48%b(0step),5800KF3.35%18.73%38.12%54.31%b(0step),873KF0.59%6.98%20.36%35.42%b(0step),673KF0.15%3.06%11.85%24.26%b(0step),573K根据图1和表1所得的结论分析，针对本文的高温太阳辐射和低温热辐射问题，采用两-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn波段近似方法来建立界面吸收、反射的半灰体概率模型是十分恰当的。将研究波长范围划分135为两个波段，即太阳辐射波段（短波段）和吸热器内表面发出的热辐射波段（长波段），且界面对每一波段辐射能的光谱吸收率保持不变，分别记为αsolar和αthermal。针对本文的研究对象，改进的MCRT中概率模拟部分的界面吸收、反射概率模型分为以下两种情况。当光束由吸热器开口处的单元发射，即光束为太阳光时，概率模型由下式确定：R则太阳光被吸收solar（3）R则太阳光被反射solar140当光束由吸热器内部高温壁面发射时，概率模型为：R则光束被吸收thermal（4）R则光束被反射thermal1.1.2蒙特卡罗热模拟计算吸热器内部热流密度的分布在获得了吸热器内部各单元的辐射传递因子后，蒙特卡罗热模拟部分则是通过对以辐射传递因子形式表达的能量平衡方程组进行求解，最终确定吸热器内部的温度和热流密度分145布。在一个由Ms个面单元和Mv个体单元组成的封闭热辐射系统中，对任意一个面单元Si来说，以辐射传递因子形式表达的能量方程为：MMsvST4QSTRD44VTRD4fori1...M（5）iiiikkkkijjjjiskj11同理，对热辐射系统中任意一个体单元Vi的能量方程为：MMsv4VT4QSTRD44VTRD4fori1...M（6）iiiikkkkijjjjivkj11150其中，Q为源项，包括内热源、导热和对流热损失等。值得注意的是，在获得了系统中所有单元的温度后，通过MCRT还能求出辐射热损失和反射热损失。1.2选择合适的换热关联式计算吸热管内的相变沸腾换热本文的研究对象是一个饱和水工质太阳能腔式吸热器，过冷水经由高温循环泵被输送到吸热器内布置的沸腾管中，并通过吸收沸腾管传递的能量最终被加热成为饱和水和蒸汽。由2155于沸腾管向内传递给换热流体的热流密度达到了100kW/m的量级，工质水在流经沸腾管时会发生相变作用，并且会出现明显的过冷沸腾现象，使得流动变得复杂。针对沸腾管内的流动本文将其划分为三个区域：单相流动区域（Single-PhaseFlow）、过冷沸腾区域（SubcooledBoilingFlow）和饱和沸腾区域（SaturatedBoilingFlow）。根据沸腾换热机理的不同，将过冷沸腾区域又进一步细分为三个子区域：部分沸腾区域（PartialBoilingFlow）、充分发展160沸腾区域（FullyDevelopedBoiling，FDB）和净蒸汽产生区域（SignificantVoidFlow）。为各个区域选择合适的换热关联式以及各区域间的界定准则式，编写流动沸腾程序。在沸腾管的入口条件和表面热流密度已知的前提下，通过自编程序获得沸腾管各处的对流换热系数和壁温。-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn1.3CFD软件模拟计算吸热器与周围空气的对流换热165为了使定日镜场聚焦的太阳能尽可能多的通过开口投射到腔体内部，太阳能腔式吸热器通常被放置在60~100m高度位置的太阳塔顶部。吸热器周围的空气流动相对地面来说更加剧烈，从吸热器内部高温壁面上带走大量的能量，使得吸热器与周围空气的对流热损失成为除辐射和反射热损失之外另一个主要的热损失形式。本文选择商业软件FLUENT对吸热器周围的空气流场进行计算，选取k-ε湍流模型，并采用SIMPLE算法。在外部环境空气的流170速与吸热器壁面温度已知的条件下，利用FLUENT求出吸热器与周围空气的换热量，即吸热器的对流热损失。1.4迭代求解过程由于计算上述三方面的换热所需要的热性能参数之间都是相互关联的，没有一个方面的换热可以进行独立求解。因此，需要将腔体内部的辐射换热、吸热管内的相变沸腾换热以及175吸热器与周围空气之间的对流换热耦合在一起，采用一个迭代格式来实现吸热器内部多种传热方式耦合传热过程的统一求解。计算太阳能腔式吸热器热性能的迭代步骤如图2所示，该迭代格式由一个三重嵌套循环组成，分别以吸热管外壁温、吸热器对流热损失和汽水系统循环倍率作为三重循环的迭代变量。在给定吸热器开口处阳光能流密度分布以及吸热器基本运行参数的条件下，根据图2所示的迭代步骤可最终获得稳态条件下吸热器内部的热流密度和180壁温分布、吸热器的热效率和热损失以及沸腾管产生的蒸汽流量等热性能参数。图2太阳能腔式吸热器热性能计算的流程图Fig.2Flowchartforcalculatingthethermalperformanceofthesolarcavityreceiver-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn2结果分析185本文的研究对象饱和水工质太阳能腔式吸热器的腔体几何结构与内部沸腾管的布置方式如图3所示。其中，图3(a)展示了腔体的几何结构和尺寸，吸热器的腔体是一个上下左右对称的六棱柱，顶面和底面均为倾斜表面。吸热器面向定日镜场的正面有一个4m×4m的开口，靠近开口位置的两个前侧面宽为2m，三个后墙面宽为3m，中间后墙的高度为8.25m。吸热器被放置在太阳塔的顶部，距离地面高度为100m的位置处。为了从定日镜场获得尽可190能多的太阳能，腔体的开口向下倾斜21.8°。图3(b)展示了沸腾管的布置方式，一系列按照蛇形排列的不锈钢管组成了三个沸腾面板，每个面板共有20根管，且每两根管之间通过钢板焊接在一起，形成膜式壁结构。中间沸腾面板的蛇形管共有7程，每根管的外径为50mm，壁厚为4mm。两侧的沸腾面板各6程，每根蛇形管的外径为40mm，壁厚也为4mm。由于腔体内部正对开口的三个后墙相比其它表面能够获得更高的阳光能流密度，本文中的三个195沸腾面板布置在腔体内部距离三个后墙面0.1m的位置处，且尽可能将后墙面遮挡住。沸腾管膜式壁结构的设计不仅使其能够吸收更多的能量，也能保护后墙不受到阳光的直接辐照。(a)腔体的几何结构(b)沸腾管的布置方式图3腔体的几何结构和沸腾管的布置200Fig.3Cavitygeometryandboilingtubepanelslayout2.1计算的边界条件图3所示吸热器的额定工作压力为7MPa（水的饱和温度为285.8℃）。为了实现汽水3分离，在吸热器的顶部安装了一个体积约为4.5m，重量约为7t的锅筒。给水泵将除氧后105℃的给水泵送到锅筒内，并与饱和水进行混合，在稳态条件下给水的质量流量与沸腾管205产生饱和蒸汽的流量相等，以保证锅筒内水位的平衡。在锅筒内混合后的过冷水经循环泵的强制循环作用被输送到并联排列的三路沸腾面板中分别进行加热。汽水系统的循环流量为140t/h，其中中间沸腾面板的循环流量为70t/h，两侧各为35t/h。在对本文的研究对象饱和水工质太阳能腔式吸热器进行热性能的数值计算之前，需要给定所有的边界条件，包括由定日镜场聚焦到腔体开口平面上的阳光入射条件和吸热器周围远210场的气流条件。本文采用的定日镜场是由中科院长春光学精密机械与物理研究所为我国北京延庆县建造的1MW塔式太阳能热发电示范电站DAHAN所设计的。由该定日镜场聚焦到-7- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn腔体开口平面的阳光能流密度分布如图4所示。图中的法向直射辐照强度DNI为北京延庆地区在夏至日正午时刻的数据。可以看出，在定日镜场的聚焦作用下，阳光能流密度集中分布在开口平面中心以1m为半径的圆形区域内，而在超出该圆形区域的位置，阳光的能流密215度迅速降低。由于定日镜场类似扇形的布局，使得绝大多数太阳光通过定日镜的反射后并不能垂直地投射到腔体的开口，而是在一定的角度范围内从开口向腔体内部进行辐射，且该角度范围完全取决于定日镜场的布置。图5为本文采用的定日镜场聚焦到腔体开口处的阳光投射方向的角度范围。其中，左右方向上的角度范围为70°，向左向右各偏35°，上下方向的角度范围为40°，沿开口平面的法平面向上方偏30°，向下方偏10°。2202图4聚焦到腔式吸热器开口平面的阳光能流密度分布（DNI=980W/m）2Fig.4Distributionofsolarfluxontheapertureplaneofthecavity(DNI=980W/m)图5腔体开口处阳光投射方向的角度范围225Fig.5Rangeofsolarirradiationangleintheaperture周围远场的气流条件是另一个需要给定的边界条件。为了模拟吸热器处在极端条件下的热性能，选择侧向风作为远场的风向条件，因为侧向风相比其它风向会造成吸热器最大的对[8]流热损失。图6为侧向风的示意图，风从吸热器的右侧水平地吹来，图中显示的截面为横穿吸热器中部的一个水平截面。令距离地面10m高度处远场的空气参考流速为6m/s，则230100m高度处吸热器周围远场的风速可由幂指数表达式（7）确定，最终约为8.34m/s。h17vv()（7）10m10-8- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图6侧向风的示意图Fig.6Sketchmapofside-onwind2352.2吸热表面吸收率和热发射率对吸热器热效率的影响针对图3所示结构的太阳能腔式吸热器，研究了其内部布置的沸腾管表面对太阳辐射的吸收率和自身热发射率对吸热器热效率的影响，结果如图7所示。可见，吸热器的热效率随着沸腾管对太阳辐射吸收率αsolar,tube的增大而升高，并且吸收率对热效率的影响十分显著。当吸收率从0.8增大到1.0时，吸热器的热效率从80.5%~82.0%升高到91.7%~93.3%。因此，240增大吸热表面对太阳辐射的吸收率是提高太阳能腔式吸热器热效率的有效途径。从图中还可看出，沸腾管自身的热发射率εthermal,tube对吸热器热效率的影响与其对太阳辐射的吸收率有关，在不同的吸收率下，吸热器热效率的变化呈现不同趋势。如图所示，当沸腾管对太阳辐射的吸收率为0.8和0.85时，随着沸腾管自身热发射率的增大吸热器的热效率升高；当沸腾管对太阳辐射的吸收率等于0.9时，热发射率的增大对吸热器的热效率影响很小；当沸腾管245对太阳辐射的吸收率为0.95和1.0时，吸热器的热效率又随沸腾管热发射率的增大而降低。此外，尽管沸腾管的热发射率会对吸热器的热效率产生一定的影响，但与沸腾管对太阳辐射的吸收率相比，其影响程度相对较小。图7不同太阳辐射吸收率下沸腾管的热发射率对吸热器热效率的影响250Fig.7Thermalefficiencyasafunctionofthermalemissivityofboilingtubesunderspecificsolarabsorptivity下面分别以沸腾管对太阳辐射的吸收率为0.8和1.0的两种工况为例来分析上述获得的热效率曲线。图8为当沸腾管对太阳辐射的吸收率等于0.8时，吸热器内部腔体壁面的温度分布随沸腾管自身热发射率的变化情况。如图可见，四个未布置吸热管的闲置腔体壁面的温度随沸腾管热发射率的增大而降低，并且在该工况下闲置腔体壁面的温度远高于沸腾管的外255壁温，吸热器内部红外能量的宏观传递方向是从高温的腔体壁面向低温的沸腾管传递。根据基尔霍夫定律，沸腾管自身热发射率与其对红外热辐射能量的吸收率相等，随着热发射率的-9- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn增大，沸腾管对红外热辐射能量的吸收率也增大，使得沸腾管吸收了更多的红外辐射能量，并且多吸收的红外能量主要来自于高温腔体壁面发出的热辐射。而随着沸腾管吸收了更多的红外能量，腔体壁面自身吸收的红外能量反而减少，并导致了闲置腔体壁温的下降。图9260对沸腾管和腔体壁面的辐射和对流热损失分别进行了统计。当沸腾管的热发射率增大时，其对红外热辐射的吸收率也随之增大，则由腔体壁面辐射的红外能量更多的被沸腾管所吸收，使得逃逸出开口的辐射热损失减小。同时，由于腔体壁面温度的降低也使得其辐射热损失减小。因此，当沸腾管的热发射率从0.1增大到0.8时，腔体壁面的辐射热损失从239.7kW减小至109.4kW。沸腾管表面热发射率的增大导致了其辐射热损失从9.1kW增大到57.4kW。265由于腔体壁面辐射热损失的减小量大于沸腾管辐射热损失的增加量，使得吸热器总的辐射热损失随沸腾管热发射率的增大而逐渐减小。此外，由于腔体壁面温度的降低也造成了其对流热损失的减小，而沸腾管的对流热损失则因外壁温变化不大几乎保持不变。故吸热器总的对流热损失也随沸腾管热发射率的增大而减小。在沸腾管对太阳辐射的吸收率为0.8的工况下（αsolar,tube=0.8），随着沸腾管自身热发射率的增大，由于吸热器辐射和对流热损失的减小270使得其热效率呈现上升的趋势。(a)εthermal,tube=0.2(b)εthermal,tube=0.4(c)εthermal,tube=0.6(d)εthermal,tube=0.8图8沸腾管表面不同热发射率下腔体壁面温度的分布（αsolar,tube=0.8）Fig.8Temperaturedistributionsofcavitywallswithdifferentthermalemissivityofboilingtubes(αsolar,tube=0.8)275图9沸腾管的热发射率对吸热器内表面辐射和对流热损失的影响（αsolar,tube=0.8）Fig.9Effectofthermalemissivityofboilingtubesonradiationandconvectionheatlossofinnersurfacesinsidethesolarcavityreceiver(αsolar,tube=0.8)-10- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图10为当αsolar,tube=1.0时，腔体壁面温度分布随沸腾管自身热发射率的变化情况。如280图所示，四个未布置吸热管的闲置腔体壁面温度随沸腾管表面热发射率的增大逐渐升高。值得注意的是，在该工况下，沸腾管的外壁温较腔体壁面的温度要更高，吸热器内部红外能量的宏观传递方向为从高温的沸腾管向低温的腔体壁面传递能量。随着沸腾管表面热发射率的增大，其向外发出的红外热辐射能量也增大，因此腔体壁面吸收了更多的由高温沸腾管表面发出的红外辐射能量，导致了闲置腔体壁面温度的升高。同理，对沸腾管和腔体壁面的辐射285和对流热损失分别进行统计并展示在图11中。如图所示，当沸腾管表面的热发射率从0.1增大到0.8时，其辐射热损失从9.4kW增大到58.9kW。尽管腔体壁面的温度升高了，但由于沸腾管对红外热辐射吸收率的增大，使得腔体壁面上的单元对开口的辐射传递因子有所减小，最终导致了腔体壁面的辐射热损失变化不大，仅从17.3kW增大到21.9kW。沸腾管和腔体壁面辐射热损失的增大使吸热器总的辐射热损失也增大。此外，腔体壁面的对流热损失290因其温度的升高而增大，沸腾管的对流热损失因其温度变化很小几乎保持不变。最终吸热器总的对流热损失随沸腾管表面热发射率的增大而增大。故在αsolar,tube=1.0的工况下，随着沸腾管表面热发射率的增大，由于辐射和对流热损失的增大导致了吸热器热效率的降低。(a)εthermal,tube=0.2(b)εthermal,tube=0.4(c)εthermal,tube=0.6(d)εthermal,tube=0.8295图10沸腾管表面不同热发射率下腔体壁面温度的分布（αsolar,tube=1.0）Fig.10Temperaturedistributionsofcavitywallswithdifferentthermalemissivityofboilingtubes(αsolar,tube=1.0)图11沸腾管的热发射率对吸热器内表面辐射和对流热损失的影响（αsolar,tube=1.0）Fig.11Effectofthermalemissivityofboilingtubesonradiationandconvectionheatlossofinnersurfacesinside300thesolarcavityreceiver(αsolar,tube=1.0)-11- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn3结论本文在课题组之前提出的数学模型的基础上，充分考虑了吸热器内表面对不同波长能量的选择性吸收作用，建立了具有选择性吸收特性表面的太阳能腔式吸热器热性能的耦合计算模型。采用该模型，数值研究了一个典型结构的饱和水工质太阳能腔式吸热器内部半灰吸热305表面的热辐射特性对其热性能的影响。研究结果表明，相比热发射率，吸热面对太阳辐射的吸收率对吸热器热性能的影响更为显著，增大吸收率能显著提高吸热器的热效率。与吸热表面暴露在外部环境中的槽式、菲涅尔式和外置式等吸热器不同，腔式吸热器内部吸热表面的热发射率对其热效率的影响趋势取决于闲置腔体壁面和吸热面之间的宏观热传递方向。当红外能量宏观上从闲置腔体壁面向吸热面传递时，吸热器的热效率随着热发射率的增大而升310高；当红外能量的宏观传递方向从吸热面向腔体壁面传递时，吸热表面热发射率的增大将导致吸热器热效率的降低。该研究可为塔式太阳能热发电系统中腔式吸热器内部布置的吸热表面上覆盖涂层的设计和选择提供理论依据。[参考文献](References)315[1]KesselringP,SelvageCS.TheIEA/SSPSsolarthermalpowerplants:-factsandfigures-finalreportoftheinternationaltestandevaluationteam(itet)[M].NewYork:Springer-Verlag,1986.[2]文玉良,丁静,杨建平,等.聚光太阳能热发电中吸热器吸收涂层的选择[J].太阳能学报,2009,6:764-768.[3]LiX,KongWQ,WangZF,etal.Thermalmodelandthermodynamicperformanceofmoltensaltcavity320receiver[J].RenewableEnergy,2010,35(5):981-988.[4]HallA,AmbrosiniA,HoC.Solarselectivecoatingsforconcentratingsolarpowercentralreceivers[J].AdvancedMaterials&Processes,2012,170(1):28-32.[5]TeichelSH,FeierabendL,KleinSA,etal.Analternativemethodforcalculationofsemi-grayradiationheattransferinsolarcentralcavityreceivers[J].SolarEnergy,2012,86(6):1899-1909.325[6]TuN,WeiJJ,FangJB.Numericalinvestigationonuniformityofheatfluxforsemi-graysurfacesinsideasolarcavityreceiver[J].SolarEnergy,2015,112:128-143.[7]方嘉宾,魏进家,董训伟,等.腔式太阳能吸热器热性能的模拟计算[J].工程热物理学报,2009,3:428-432.[8]FangJB,WeiJJ,DongXW,etal.Thermalperformancesimulationofasolarcavityreceiverunderwindy330conditions[J].SolarEnergy,2011,85(1):126-138.-12-'