研究背景

化石能源的大量使用造成了包括全球变暖和酸雨在内的许多环境问题。为了解决这些问题，包括风能、太阳能、水能等在内的可再生能源被认为是化石能源的替代品。而作为一种有前途的太阳能发电技术，可通过聚焦太阳辐射和采用储热系统来生产可调度电力的聚光太阳能热发电（CSP）在过去20年里发展迅速。相比其他CSP技术，塔式光热电站有望产生更便宜的可调度电力，因此在世界范围内获得了越来越多的关注。在塔式电站中，传统的多管吸热器通常被用于将太阳辐照转换为热能。在一个典型的多管外露式吸热器中，多个管排被用来形成几个流动回路。在每个管排中，太阳光首先被几十个传统光滑吸热管（SRT）管前壁上的涂层吸收，并将被转化为热能。之后，在热量通过热传导而穿过管壁后，大部分热能将通过管内表面和流体之间的对流传热被管内的传热流体带走。其余的热能则通过对流和辐射传热损失到周围环境中，这将会直接影响到吸热器的效率。为减少热损失，来自中南大学的研究团队通过采用在太阳光谱范围内透明的气凝胶对其前壁进行绝热，设计了一个新型吸热管（RTA）。然后，通过建立一个光-热顺序耦合模型，研究了RTA和相应的SRT的性能。之后，分析了吸热管性能与气凝胶厚度之间的关系，并在塔式系统中的典型工况下，得到了优化后的新型吸热管。最后，提供了一些在真实塔式电站中采用该新型吸热管的建议。

相关成果以“An efficient receiver tube enhanced by a solar transparent aerogel for solar power tower”为题发表在《Energy》(IF= 8.857，JCR一区，中科院一区TOP)上。

研究内容

本文试图采用在太阳光谱范围内透明的气凝胶来强化塔式光热电站的太阳能捕集效率。首先，通过建立一个光-热顺序耦合模型，研究了气凝胶厚度的影响，发现随着气凝胶厚度的增加，吸热管的光学效率随之下降，而热效率却随之增加。最重要的是，由于气凝胶会向吸热管传递热量，吸热管的热效率可以超过100%，这有利于提高吸热管的光热转换效率。此外，在塔式电站的各种典型条件下，对具有不同气凝胶厚度的新型吸热管与传统吸热管进行了性能比较。结果表明，可将使用2毫米厚气凝胶的新型吸热管选为最优新型吸热管，当入射辐照度低于0.4MW m-2时，它在任何温度下都可以提高光热转换效率。研究发现，当温度在563-838K、辐照度在0.2-0.4MW m-2的范围内时，优化后的吸热管可将光热转换效率提升0.05-13.01个百分点。最后，提供了一些在现实的太阳能塔式电站中提高吸热器光热转换效率的建议。

研究结果

图1. 塔式太阳能热发电站及传统与新型吸热管示意图

图2. 吸热管中的光线追踪过程及其边界条件示意图

图3. 气凝胶的光谱散射系数和吸收系数

图4. 当I = 1 MW m-2时，不同La的气凝胶内太阳热源的分布情况

图5. 当I = 1 MW m-2时，不同La的吸热管管前壁的太阳热流分布

图6. 当I = 1 MW m-2时，不同La下吸热管的光学损失和光学效率

图7. 当I=1 MW m-2和Tin=838 K时，不同La下吸热管z=0处截面的温度分布

图8. 当I = 1 MW m-2时，不同La和Tin下吸热管管前壁的平均温度（Tfw）

图9. 当I=1 MW m-2时，不同的La和Tin时吸热管的总光学和热损失（Qtotal）

图10. 不同I和Tin条件下，SRT和RTA的热效率（ηt）

图11. 在塔式光热电站中典型的I和Tin范围内，SRT和RTA的吸热管的效率（ηR）

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544222021971#!

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