聚光光热腔式集热器的结构优化

聚光光热集热器在光热发电系统中是一个关键部件，其性能直接影响光热电站的效率，因此对其结构优化研究有着重要的意义。本文对5种不同形状的集热器进行了数值模拟，结果表明球形集热效果最佳；针对球形集热器分析了不同开口比(S1/S2)对光学性能的影响以及不同倾角对对流热损的影响。结果表明：随着S1/S2的降低，集热器的反射光损减小，结合集热器的内部温度场得出最佳开口比为1/8；随着采光口面积增大，集热器内部低温对流换热区域增大，对流热损增大；随着采光口倾角增加，对流热损随之下降。

太阳能聚光光热系统主要由聚光器、集热器和卡诺循环发电装置或斯特林机循环构成。其中，集热器件是接收太阳能并运用循环工质进行光–热转换的重要装置，光热转换效率直接影响着出口端工质的温度高低，也间接影响着后续做功工质的热电转换效率，因此可以认为集热器件的热性能是整个光热系统效率的重要影响因素。

目前，国内外越来越多学者对聚光光热集热器进行了研究，1991 年，Pitz-Paal 等[1]创新地在吸热体外表面处添加了玻璃窗，使得空气的流道具有选择性，实验数据表明，空气出口温度超过600℃，减弱了辐射热损。1993 年，Steinfeld 和Schubnel [2]针对太阳能集热器采光口对热性能的影响程度进行了研究，定义采光口的最优尺寸范围。2008 年，Sendhil Kumar N.等[3]对比了两种形状的太阳能集热器，结果表明：集热器的几何形状与倾斜角度对热损的占比影响较大。

2009 年， 杨敏林等人[4]针对非均匀热流的现实情况采取缠绕电阻丝利用电加热的模拟方式进行试验研究，实验结果表明不均匀的热流密度会引发集热器管壁温度场分布不均的问题。2012 年，毛青松[5]等人采用商业光学软件，以蒙特卡洛光迹追踪法为理论基础，分析了不同开口尺寸的腔式集热器的光学特性和热学特性，发现采光口尺寸的变化仅能改变对流热损的数值大小，而对辐射热损的影响微乎其微。2014 年，Flesch 等人[6]针对集热器的摆放位置和环境风速等因素对集热器对流热损的影响进行了研究， 结果表明， 无风时对流热损随安装角度的增加而减少。

2015 年， Srihari和Reddy [7]研究了各种参数的影响， 例如直径开口比， 倾斜角度， 工作温度， 绝缘层厚度对热损失的影响。

2016 年，王俊杰[8]针对集热器的安装倾角进行了对比分析，当采光口面朝地面时，其热损随集热器开口处的弯度参数变化而改变。

2017 年， 何雅玲[9]团队针对目前仅采用单管为实验对象的研究现状提出了导热–对流–辐射耦合的换热模拟方式，并在此基础上对热应力进行了研究，分析了影响薄壁管材热应力的最大应力为切向应力。

2018 年， Pavlovic 等人[10]对螺旋形和圆锥形集热器的光学性能与传热性能进行了研究， 得出圆锥形集热器的综合性能要比螺旋形集热器更优。2019 年，SI-QUAN Z.等人[11]研究了不同形状集热器，得出球形集热器的光学效率最佳，分析了不同开口比对光学性能的影响以及不同倾角对对流热损的影响。2020 年，Reyhaneh Loni 等人[12]通过实验研究了具有不同形状腔接收器和纳米流体的太阳能碟式集热器的热性能，结果表明半球形的太阳能碟式集热器的热特性效果最佳。