本發(fā)明屬于太陽能熱利用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多孔介質(zhì)太陽能吸熱器及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

太陽能熱發(fā)電技術(shù)是目前新能源利用發(fā)展的重要技術(shù)。作為熱發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵組件之一，太陽能吸熱器成為了整個(gè)系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。近年來，多孔介質(zhì)太陽能吸熱器由于其突出的優(yōu)勢成為了國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。但是，多孔介質(zhì)太陽能吸熱器的推廣依然面臨一系列的挑戰(zhàn)，針對太陽能吸熱器的高效、穩(wěn)定運(yùn)行，問題主要存在以下兩個(gè)方面：(1)太陽輻射在多孔介質(zhì)內(nèi)部衰減較快，體吸收效應(yīng)不顯著。這使得太陽輻射能流密度集中分布在吸熱器的表面，造成表面溫度過高，輻射熱損失增大；(2)太陽輻射能流密度分布不均勻，導(dǎo)致吸熱器內(nèi)部溫度梯度增大，從而使得吸熱器內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形。

目前針對多孔介質(zhì)太陽能吸熱器體吸收效應(yīng)的強(qiáng)化和太陽輻射能流密度的均化，國內(nèi)外學(xué)者展開了一定的研究。例如，A.Kribus等人研究了多孔介質(zhì)幾何參數(shù)(孔隙率和孔徑)和多孔介質(zhì)材料的熱導(dǎo)率等參數(shù)對體吸收效應(yīng)的影響。Thomas Fend等人提出了一種雙層多孔介質(zhì)太陽能吸熱器。該吸熱器具有前一層孔密度大，后前一層孔密度小的結(jié)構(gòu)。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該種結(jié)構(gòu)有利于提高吸熱器的效率。類似的雙層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在Xue Chen等人的研究中。Xue Chen等人采用數(shù)值模擬的方法，研究了前一層孔隙率大后一層孔隙率小的雙層多孔介質(zhì)太陽能吸熱器。模擬結(jié)果顯示，該種結(jié)構(gòu)吸熱器有利于提升出口處換熱流體的溫度。以上技術(shù)采用了一種簡單結(jié)構(gòu)來改善吸熱器的性能，并不能夠大幅強(qiáng)化體吸收效應(yīng)。同時(shí)，對于吸熱器相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)和物性參數(shù)的篩選也未能給出一種高效的設(shè)計(jì)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述研究中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種高吸收率、低反射率且吸熱器內(nèi)部太陽輻射能流密度分布更為均勻的多孔介質(zhì)太陽能吸熱器及其設(shè)計(jì)方法。從而加強(qiáng)太陽輻射的吸收效率、均化多孔介質(zhì)太陽能吸熱器內(nèi)部太陽輻射能流密度分布、強(qiáng)化體吸收效應(yīng)。

為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明的多孔介質(zhì)太陽能吸熱器包括安裝在換熱流體流道內(nèi)作為太陽輻射吸收部件的多孔介質(zhì)骨架，多孔介質(zhì)骨架周圍安裝有保溫隔熱材料，所述的多孔介質(zhì)骨架沿太陽輻射入射方向前端孔隙率或孔徑大于后端孔隙率或孔徑，且沿太陽輻射入射方向孔隙率或孔徑從前端到后端逐漸減小。

所述的多孔介質(zhì)骨架沿太陽輻射入射方向前端孔隙率或孔徑減小的速率小于后端孔隙率或孔徑減小的速率。

所述的多孔介質(zhì)骨架采用均質(zhì)材料合金或耐高溫陶瓷。

本發(fā)明多孔介質(zhì)太陽能吸熱器的設(shè)計(jì)方法包括以下步驟：

1)給定多孔介質(zhì)太陽能吸熱器非優(yōu)化的幾何參數(shù)和物性參數(shù)，包括吸熱器的整體尺寸即吸熱器的長、寬、高、多孔介質(zhì)的平均孔徑或多孔介質(zhì)的孔隙率、多孔介質(zhì)的材料種類；

2)初始化多孔介質(zhì)太陽能吸熱器的孔隙率分布或孔徑分布，按多孔介質(zhì)骨架的孔隙率分布或孔徑分布滿足沿太陽輻射入射方向逐漸減小的原則給定孔隙率分布或孔徑分布；

3)采用給定的孔隙率分布或孔徑分布，結(jié)合步驟1)中指定的多孔介質(zhì)骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用Mesut K1rca提出的多孔介質(zhì)隨機(jī)重構(gòu)法，重構(gòu)出多孔介質(zhì)的三維計(jì)算模型；

4)采用蒙特卡羅光線追蹤法，計(jì)算步驟3)中重構(gòu)的多孔介質(zhì)的光學(xué)特性即多孔介質(zhì)的反射率、吸收率和透射率以及輻射特性即多孔介質(zhì)的衰減系數(shù)，同時(shí)計(jì)算多孔介質(zhì)太陽能吸熱器內(nèi)部的太陽輻射能流密度分布；

5)選取吸熱器內(nèi)部各處太陽輻射能流密度的標(biāo)準(zhǔn)差作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并將具體標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果作為評價(jià)指標(biāo)傳遞給遺傳算法；

6)利用遺傳算法，根據(jù)步驟5)中的評價(jià)結(jié)果，進(jìn)行交叉、變異的遺傳運(yùn)算，更新多孔介質(zhì)的孔隙率分布或孔徑分布，重復(fù)步驟3)，4)，5)，使得太陽輻射能流密度的標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小，直到優(yōu)化算法收斂，得到滿足優(yōu)化目標(biāo)的多孔介質(zhì)骨架結(jié)構(gòu)。

由于多孔介質(zhì)的孔隙率和孔徑影響多孔介質(zhì)的光學(xué)特性和輻射特性，本發(fā)明充分利用了具有不同特性的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)。高孔隙率、大孔徑的多孔介質(zhì)具有較低的衰減系數(shù)和反射率，放置在吸熱器的前端，有利于太陽輻射的透射，增強(qiáng)體吸收，同時(shí)減小光線的反射；低孔隙率、小孔徑的多孔介質(zhì)具有較高的衰減系數(shù)，放置于吸熱器的后端，有利于減少太陽輻射的穿透，增加吸熱器整體的吸收率。采用漸變的結(jié)構(gòu)，太陽輻射在多孔介質(zhì)吸熱器內(nèi)部不會產(chǎn)生突變，不會引起較大的溫度梯度，從而減小了吸熱器內(nèi)部的熱應(yīng)力。

本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路在于數(shù)值算法和智能優(yōu)化算法的耦合，實(shí)現(xiàn)兩種算法之間的數(shù)據(jù)交互和相互調(diào)用。數(shù)值算法用于重構(gòu)多孔介質(zhì)骨架的結(jié)構(gòu)和計(jì)算評估多孔介質(zhì)的性能。智能優(yōu)化算法用于高效地搜尋使得吸熱器內(nèi)太陽輻射能流密度均勻分布的孔隙率分布或孔徑分布。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明設(shè)計(jì)方法流程圖；

圖3為采用本發(fā)明多孔介質(zhì)孔隙率分布的優(yōu)化結(jié)果圖(優(yōu)化目標(biāo)：均化吸熱器內(nèi)部太陽輻射能流密度分布)；

圖4為傳統(tǒng)均勻孔隙率多孔介質(zhì)太陽能吸熱器與本發(fā)明多孔介質(zhì)太陽能吸熱器內(nèi)部太陽輻射能流密度分布(光子數(shù)分布)的對比圖；

圖中：1多孔介質(zhì)骨架、2保溫隔熱材料、3換熱流體流道、4太陽輻射、5低溫?fù)Q熱流體、6高溫?fù)Q熱流體。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，以設(shè)計(jì)一種吸熱器內(nèi)部太陽輻射熱流密度更為均勻的多孔介質(zhì)太陽能吸熱器為例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明：

參見圖1，本發(fā)明包括安裝在換熱流體流道3內(nèi)作為太陽輻射4吸收部件的多孔介質(zhì)骨架1，多孔介質(zhì)骨架1周圍安裝有保溫隔熱材料2，所述的多孔介質(zhì)骨架1沿太陽輻射4入射方向(即圖中x軸方向)前端孔隙率大于后端孔隙率，且沿太陽輻射4入射方向孔隙率從前端到后端逐漸減小。其中多孔介質(zhì)骨架1為整個(gè)發(fā)明設(shè)計(jì)的核心部件。多孔介質(zhì)骨架1孔隙率較大的前端正對太陽輻射4，孔隙率較小的后端背對太陽輻射4。多孔介質(zhì)骨架1孔隙率從前到后逐漸減小，并且前端孔隙率減小得慢，后端孔隙率減小得快。多孔介質(zhì)骨架1將太陽輻射能量吸收，溫度升高。低溫?fù)Q熱流體5從多孔介質(zhì)骨架1的孔隙中流過并與其換熱，在多孔介質(zhì)骨架1出口處達(dá)到高溫?fù)Q熱流體6狀態(tài)。保溫隔熱材料2布置在多孔介質(zhì)骨架1周圍，用于減少熱損失，提高效率。

如圖2所示，本發(fā)明多孔介質(zhì)太陽能吸熱器的設(shè)計(jì)方法如下：

首先，確定多孔介質(zhì)骨架太陽能吸熱器的非優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料的物性參數(shù)。例如，吸熱器的長寬高各設(shè)定為1cm，多孔介質(zhì)的平均孔徑設(shè)置為1mm，多孔介質(zhì)的材料選為碳化硅；

其次，給定初始的多孔介質(zhì)吸熱器孔隙率分布，此初始分布需要滿足孔隙率逐漸減小的特征。例如，采用線性遞減的孔隙率分布作為初始孔隙率分布，并且將前端孔隙率設(shè)置為0.95，后端孔隙率設(shè)置為0.65。所以初始孔隙率分布可以表示為：

式中：φ(x)為沿輻射入射方向x坐標(biāo)處的孔隙率；L為多孔介質(zhì)沿輻射入射方向的總厚度；

接下來，采用Mesut K1rca等人提出的多孔介質(zhì)隨機(jī)重構(gòu)方法，以該孔隙率分布和幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)生成相應(yīng)的多孔介質(zhì)三維數(shù)值計(jì)算模型。

然后，利用此計(jì)算模型，采用蒙特卡羅光線追蹤(MCRT)法，計(jì)算得出該多孔介質(zhì)太陽能吸熱器的光學(xué)特性(反射率、吸收率和透射率)和輻射特性(衰減系數(shù))。同時(shí)，計(jì)算吸熱器內(nèi)部太陽輻射能流密度分布。蒙特卡羅光線追蹤法的基本原理是將太陽輻射模擬成大量獨(dú)立的光子，通過統(tǒng)計(jì)所有光子的終態(tài)和分布，從而獲得吸熱器的性能。例如，通過計(jì)算被吸收光子的比例可以獲得材料的吸收率；通過統(tǒng)計(jì)光子在吸熱器內(nèi)部的分布從而獲得太陽輻射能流密度在吸熱器內(nèi)的分布?？紫堵示€性減小的多孔介質(zhì)太陽能吸熱器的光學(xué)和輻射特性匯總于表1。

表1孔隙率線性減小的多孔介質(zhì)太陽能吸熱器的光學(xué)和輻射特性

接下來，計(jì)算吸熱器內(nèi)部各處太陽輻射能流密度的標(biāo)準(zhǔn)差，將其作為待優(yōu)化目標(biāo)傳遞給遺傳算法；

遺傳算法進(jìn)行交叉、變異等遺傳操作，更新孔隙率分布。新的孔隙率分布被繼續(xù)用于計(jì)算模型的構(gòu)建、光學(xué)和輻射特性的計(jì)算、吸熱器內(nèi)部太陽輻射能流密度的計(jì)算以及吸熱器性能的評估。一直循環(huán)該過程，直到遺傳算法收斂。最終給出內(nèi)部太陽輻射能流密度最均勻的多孔介質(zhì)吸熱器對應(yīng)的孔隙率分布。

采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，得到了內(nèi)部太陽輻射能流密度分布更為均勻的多孔介質(zhì)太陽能吸熱器，其孔隙率分布如圖3所示。可以看出，該多孔介質(zhì)太陽能吸熱器具有前端孔隙率大，后端孔隙率小，孔隙率逐漸減小、且不存在突變的特點(diǎn)。同時(shí)吸熱器前端孔隙率減小得慢，后端孔隙率減小得快。

表2對比了本發(fā)明提出的多孔介質(zhì)太陽能吸熱器和傳統(tǒng)均勻孔隙率多孔介質(zhì)太陽能吸熱器(孔隙率為0.8)的輻射吸收率和反射率。

表2新型多孔介質(zhì)太陽能吸熱器和傳統(tǒng)均勻孔隙率多孔介質(zhì)太陽能吸熱器輻射吸收率和反射率對比表

可以看出，本發(fā)明提出的多孔介質(zhì)太陽能吸熱器具有更低的反射率和更高的吸收率，有利于減少因反射而導(dǎo)致輻射熱損失，保證太陽輻射的吸收效率，從而提升系統(tǒng)整體的效率。

圖4展示了新型多孔介質(zhì)太陽能吸熱器和傳統(tǒng)均勻孔隙率多孔介質(zhì)太陽能吸熱器內(nèi)部的能流密度分布(被吸收光子數(shù))?？梢钥闯?，相比于傳統(tǒng)均勻孔隙率多孔介質(zhì)太陽能吸熱器，本發(fā)明提出的多孔介質(zhì)太陽能吸熱器前端太陽輻射能流密度低，有利于降低吸熱器表面的溫度，減小輻射熱損失。光子透射的深度相對增加，體吸收效應(yīng)增強(qiáng)。同時(shí)，該吸熱器內(nèi)部能流密度分布更為均勻，能流密度變化梯度較平緩，有利于減小吸熱器內(nèi)部的溫度梯度，減小熱應(yīng)力。

本發(fā)明采用一種具有漸變孔隙率的多孔介質(zhì)作為太陽能吸熱器。該吸熱器前端孔隙率大，有利于增強(qiáng)太陽輻射的透射，減弱太陽輻射的反射，從而降低了吸熱器表面能流密度和溫度，減少了輻射熱損失。同時(shí)，該吸熱器后端逐漸減小的孔隙率有利于增強(qiáng)對太陽輻射的吸收效應(yīng)，強(qiáng)化了太陽輻射的吸收效率。孔隙率漸變的特點(diǎn)有利于均化太陽輻射能流密度的分布，減少因?yàn)闇囟确植疾痪鶎?dǎo)致的熱應(yīng)力。采用智能優(yōu)化算法，方便對不同優(yōu)化條件進(jìn)行多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得本發(fā)明更具有通用性和適用性。以上優(yōu)點(diǎn)使得該種新型多孔介質(zhì)太陽能吸熱器能夠長期、高效、穩(wěn)定的運(yùn)行，從而提高整個(gè)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率，保證運(yùn)行安全。