COMSOL Multiphysics® 在热发电用真空集热管设计中的应用

赵旭山 [1], 郝雷 [1], 蒋利军 [1], 米菁 [1], 杨海龄 [1],
[1] 北京有色金属研究总院,北京,中国

随着能源紧张、油价攀升,环境污染严重,利用可再生绿色能源又成为不懈努力的方向。槽式太阳能热发电技术具有兼容性强、对电网冲击小、性价比高、发电成本低、可存储可调度等特点,近年来得到了迅猛发展,其核心部件为高温太阳能真空集热管,如图1所示。本研究利用 COMSOL Multiphysics® 针对真空集热管真实工况下的动态过程开展研究,并在此基础上开展集热管结构的优化设计。

由图 1 可知:集热管在电站中服役工况下,槽面会聚的太阳光主要集中于集热管下半面,上半面接收的会聚太阳光较少;导热工质自吸收管一端进入,接收会聚太阳光辐照能量,从吸收管另一端流出,流入→流出过程中,导热工质被加热;集热管外表面与外部环境通过热辐射和对流两种方式换热;吸收管与玻璃罩管间形成的环形密闭高真空区域各内表面通过热辐射换热,不考虑对流;集热管两端支撑固定于聚光器上,由于本身自重和热应力,会产生一定形变。

基于以上物理过程,本研究根据现有商业化集热管的真实结构,建立三维几何模型,利用 COMSOL Multiphysics 进行仿真分析,如图 2~4 所示。对非均匀热流密度条件下的太阳能吸热管的传热传质过程进行数值模拟计算,分析不同工况(太阳辐照强度、聚光比、导热工质入口温度等)对导热工质出口温度和流速的影响,不同工况对波纹管、可伐环和玻璃罩管温度分布的影响规律,不同工况造成的应力-应变情况,为结构部件选材和疲劳破坏分析提供依据。