技术领域
[0001] 本
发明属于太阳能热流密度均匀化利用领域，具体涉及一种强制对流的太阳能热流密度均匀化装置及其方法。
背景技术
[0002] 目前，太阳能的利用主要是将太阳能转化为其他形式的
能量，比如
电能。太阳能用于发电的方式之一为太阳能光热发电，太阳能光热发电的方式主要包括太阳能槽式光热发电、太阳能蝶式光热发电和太阳能塔式光热发电，而太阳能塔式光热发电系统作为一种集中型的发电系统，其优势在于系统容量大、聚光比高和系统
工作温度高，十分具有商业前景。
[0003] 太阳能塔式光热发电系统一般由
定日镜场、塔、吸热器、储热器、
蒸汽发生器以及发
电机组成，其中吸热器作为太阳能塔式光热发电系统中实现复杂光-热转换和能量传递的关键核心设备，其主要作用是将来自定日镜场的太阳能收集起来，然后将能量传递给管道中的工质，
传热工质吸收能量后产生
沸腾相变生成蒸汽推动
汽轮机发电。吸热器有腔式、容积式、外置式三种结构形式，由于腔式吸热器具有和
黑体相似的效果，不仅可以高效的吸收
辐射能量，而且具有高效的光热转换效率，所以目前太阳能塔式光热发电系统多采用腔式吸热器。
[0004] 现有的太阳能塔式光热发电系统中，由于多数都采用具有高聚光比的点聚焦方式，造成吸热器开口面阳光热流密度高度的不均匀，导致它的壁面温度也表现出高度的不均匀，阳光直射的地方温度极高，远离阳光的地方温度较低，这样不仅使得吸热效率较低，而且使得局部
过热，导致关键组件烧毁等问题，严重影响了整个塔式系统的安全性和
稳定性。
发明内容
[0005] 为了克服上述
现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种强制对流的太阳能热流密度均匀化装置及其方法，通过强制对流方式，能够改善腔式吸热器腔体空间温度场的非均匀性，提高太阳能热流密度分布的均匀性，同时配合利用向吸热器腔体内注入的
传热介质，能够解决腔式吸热器目前存在的开口面阳光热流密度高度的不均匀，传热效率低，
热损失大的问题，具有结构合理、操作简便、成本低廉及实用高效的优点。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
[0007] 一种强制对流的太阳能热流密度均匀化装置，包括腔式吸热器11，所述腔式吸热器11前壁设有窗口10，腔式吸热器11内，上、下、左、右四个壁面的中心
位置分别设置有一个
风扇12；腔式吸热器11的一侧设置有与进料口16相连接的进口装置及与压
力平衡口17相连接的压力平衡装置，腔式吸热器11的另一侧设置有与取样口18连接的取样装置及与出料口19相连接的出口装置。
[0008] 所述进口装置包括并联设置的第一进料
阀7和第二进料阀8，第一进料阀7的出口端与静态混合器9的第一入口端A相连接，第二进料阀8的出口端与静态混合器9的第二入口端B相连接，所述静态混合器9的出口端与腔式吸热器11的进料口16相连接。
[0009] 所述压力平衡装置包括
离心风机1，所述离心风机1的出口端通过管道顺次
串联连接第一进气阀2、
安全阀3、第二进气阀4、压力表5及防漏Y型
过滤器6至腔式吸热器11的压力平衡口17。
[0010] 所述取样装置包括取样阀15，所述取样阀15的入口端与腔式吸热器11的取样口18相连接。
[0011] 所述出口装置包括收集Y型过滤器13，所述收集Y型过滤器13的入口端与腔式吸热器11的出料口19相连接，收集Y型过滤器13的出口端与出料阀14入口端相连接。
[0013] 所述腔式吸热器11内部填充有二
氧化
碳-三氧化二
铝，二氧化碳和三氧化二铝分别通过第一进料阀7和第二进料阀8填充。
[0014] 所述腔式吸热器11内部填充的二氧化碳-三氧化二铝浓度为：三氧化二铝颗粒数密度为每立方米1×107-1×109，三氧化二铝颗粒粒径为0.1-5微米，二氧化碳的体积分数为10％-30％。
[0015] 一种基于强制对流的太阳能热流密度均匀化装置的太阳能热流密度均匀化方法，包括以下步骤：
[0016] 步骤一：打开第一进料阀7和第二进料阀8，输进二氧化碳气体和三氧化二铝颗粒，使二氧化碳和三氧化二铝通过静态混合器9充分混合后进入腔式吸热器11中，经30-40分钟，打开取样阀15，取样检测腔式吸热器11中填充的二氧化碳-三氧化二铝浓度是否达到要求，若达到要求，关闭第一进料阀7和第二进料阀8；
[0017] 步骤二：利用定日镜场反射太阳光通过窗口10进入腔式吸热器11
接触二氧化碳-三氧化二铝，首先三氧化二铝颗粒将部分
太阳辐射吸收，然后以红外辐射的形式释放于气体中，将腔式吸热器11腔体内光照区高温热源辐射到整个腔体内低温区域，改善腔体空间温度场的非均匀性；接着利用三氧化二铝颗粒的散射作用，改变腔式吸热器11内阳光辐射能量和红外辐射能量的传递路径，降低阳光直接辐射区域的热流密度峰值；最后利用二氧化碳气体的选择性
光谱吸收特性，增加对红外辐射能量的吸收率，减少石英玻璃窗口10对红外辐射能量的吸收，改善腔体空间温度场的非均匀性，提高太阳能热流密度分布的均匀性；
[0018] 步骤三：打开风扇12，采用主动强化技术，使腔式吸热器11腔体内部由
自然对流变成强制对流状态，迫使高温区域的二氧化碳-三氧化二铝与低温区域的二氧化碳-三氧化二铝快速交换，从而进一步提高太阳能热流密度分布的均匀性；
[0019] 步骤四：随着腔式吸热器11的温度不断升高，内部的压力也会不断增大，当压力表5
指针显示腔式吸热器11内部压力超过安全值时，打开第二进气阀4和安全阀3，对腔式吸热器11内部压力进行泄压，保持腔式吸热器11内部的压力处于安全压力的范围；
[0020] 步骤五：秋冬季节，日照强度相对较低，导致阳光辐射能量较少，可以适当降低腔式吸热器11内部的二氧化碳-三氧化二铝的浓度，春夏季节，日照强度相对较高，导致阳光辐射能量较多，可以适当提高腔式吸热器11内部的二氧化碳-三氧化二铝的浓度，因此，当需要更换腔式吸热器11内部的二氧化碳-三氧化二铝时，打开离心风机1、第一进气阀2、第二进气阀4、出料阀14，通过离心风机1向腔式吸热器11内部通入空气排出二氧化碳-三氧化二铝；当二氧化碳-三氧化二铝经过收集Y型过滤器13时，二氧化碳-三氧化二铝中的三氧化二铝颗粒被收集重新利用；
[0021] 步骤六：二氧化碳-三氧化二铝排空后，关闭离心风机1、第一进气阀2、第二进气阀4、出料阀14，重新打开第一进料阀7和第二进料阀8，注入新的二氧化碳-三氧化二铝。
[0022] 与现有技术相比，本发明的有益效果主要在于：
[0023] 本发明通过在设有石英玻璃窗口10的腔式吸热器11中通入二氧化碳-三氧化二铝，当被定日镜场反射的太阳光进入腔体碰到二氧化碳-三氧化二铝后，首先利用三氧化二铝颗粒的吸收作用，将部分太阳辐射吸收，然后以红外辐射的形式释放于气体中，从而可以将腔体内光照区高温热源辐射到整个腔体内低温区域，改善腔体空间温度场的非均匀性，接着利用三氧化二铝颗粒的散射作用，改变腔体内阳光辐射能量和红外辐射能量的传递路径，有效降低阳光直接辐射区域的热流密度峰值，最后利用二氧化碳气体的选择性光谱吸收特性，增加对红外辐射能量的吸收率，减少石英玻璃窗口10对红外辐射能量的吸收，改善腔式吸热器11腔体空间温度场的非均匀性，提高太阳能热流密度分布的均匀性，此外通过风扇12，采用主动强化技术，使腔式吸热器11腔体内部流动状态由自然对流变成强制对流状态，迫使高温区域的二氧化碳-三氧化二铝与低温区域的二氧化碳-三氧化二铝快速交换，从而进一步提高太阳能热流密度分布的均匀性。
[0024] 综上所述，本发明具有结构合理，操作简便，成本低廉，实用高效的优点。
附图说明
[0025] 图1为本发明装置的整体结构示意图。
[0026] 图中：1、离心风机；2、第一进气阀；3、安全阀；4、第二进气阀；5、压力表；6、防漏Y型过滤器；7、第一进料阀；8、第二进料阀；9、静态混合器；10、窗口；11、吸热器；12、风扇；13、收集Y型过滤器；14、出料阀；15、取样阀；16、进料口；17、压力平衡口；18、取样口；19、出料口。
具体实施方式
[0027] 下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理做进一步详细说明。
[0028] 参见图1，一种强制对流的太阳能热流密度均匀化装置，包括腔式吸热器11，所述腔式吸热器11前壁设有窗口10，腔式吸热器11内，上、下、左、右四个壁面的中心位置分别设置有一个风扇12，使腔体内部流动状态由自然对流变成强制对流状态；腔式吸热器11的一侧设置有与进料口16相连接的进口装置及与压力平衡口17相连接的压力平衡装置，腔式吸热器11的另一侧设置有与取样口18连接的取样装置及与出料口19相连接的出口装置。
[0029] 所述进口装置包括并联设置的第一进料阀7和第二进料阀8，第一进料阀7的出口端与静态混合器9的第一入口端A相连接，第二进料阀8的出口端与静态混合器9的第二入口端B相连接，所述静态混合器9的出口端与腔式吸热器11的进料口16相连接，静态混合器9可以使二氧化碳和三氧化二铝达到充分混合的目的。
[0030] 所述压力平衡装置包括离心风机1，所述离心风机1的出口端通过管道顺次串联连接第一进气阀2、安全阀3、第二进气阀4、压力表5及防漏Y型过滤器6至腔式吸热器11的压力平衡口17，压力平衡装置在腔式吸热器11腔体内部压力过大时，通过安全阀3泄压，保证安全性，同时通过防漏Y型过滤器6过滤三氧化二铝，防止
泄漏。
[0031] 所述取样装置包括取样阀15，所述取样阀15的入口端与腔式吸热器11的取样口18相连接，取样装置用于取样检测吸热器内部二氧化碳和三氧化二铝的浓度。
[0032] 所述出口装置包括收集Y型过滤器13，所述收集Y型过滤器13的入口端与腔式吸热器11的出料口19相连接，收集Y型过滤器13的出口端与出料阀14入口端相连接，收集Y型过滤器13可以有效的回收三氧化二铝颗粒。
[0033] 所述窗口10由石英玻璃密封。
[0034] 所述腔式吸热器11内部填充有二氧化碳-三氧化二铝，二氧化碳和三氧化二铝分别通过第一进料阀7和第二进料阀8填充。
[0035] 所述腔式吸热器11内部填充的二氧化碳-三氧化二铝浓度为：三氧化二铝颗粒数密度为每立方米1×107-1×109，三氧化二铝颗粒粒径为0.1-5微米，二氧化碳的体积分数为10％-30％。
[0036] 一种基于强制对流的太阳能热流密度均匀化装置的太阳能热流密度均匀化方法，包括以下步骤：
[0037] 步骤一：打开第一进料阀7和第二进料阀8，输进二氧化碳气体和三氧化二铝颗粒，使二氧化碳和三氧化二铝通过静态混合器9充分混合后进入腔式吸热器11中，经30-40分钟，打开取样阀15，取样检测腔式吸热器11中填充的二氧化碳-三氧化二铝浓度是否达到要求，若达到要求，关闭第一进料阀7和第二进料阀8；
[0038] 步骤二：利用定日镜场反射太阳光通过窗口10进入腔式吸热器11接触二氧化碳-三氧化二铝，首先三氧化二铝颗粒将部分太阳辐射吸收，然后以红外辐射的形式释放于气体中，将腔式吸热器11腔体内光照区高温热源辐射到整个腔体内低温区域，改善腔体空间温度场的非均匀性；接着利用三氧化二铝颗粒的散射作用，改变腔式吸热器11内阳光辐射能量和红外辐射能量的传递路径，降低阳光直接辐射区域的热流密度峰值；最后利用二氧化碳气体的选择性光谱吸收特性，增加对红外辐射能量的吸收率，减少石英玻璃窗口10对红外辐射能量的吸收，改善腔体空间温度场的非均匀性，提高太阳能热流密度分布的均匀性；
[0039] 步骤三：打开风扇12，采用主动强化技术，使腔式吸热器11腔体内部由自然对流变成强制对流状态，迫使高温区域的二氧化碳-三氧化二铝与低温区域的二氧化碳-三氧化二铝快速交换，从而进一步提高太阳能热流密度分布的均匀性；
[0040] 步骤四：随着腔式吸热器11的温度不断升高，内部的压力也会不断增大，当压力表5指针显示腔式吸热器11内部压力超过安全值时，打开第二进气阀4和安全阀3，对腔式吸热器11内部压力进行泄压，保持腔式吸热器11内部的压力处于安全压力的范围；
[0041] 步骤五：秋冬季节，日照强度相对较低，导致阳光辐射能量较少，可以适当降低腔式吸热器11内部的二氧化碳-三氧化二铝的浓度，春夏季节，日照强度相对较高，导致阳光辐射能量较多，可以适当提高腔式吸热器11内部的二氧化碳-三氧化二铝的浓度，因此，当需要更换腔式吸热器11内部的二氧化碳-三氧化二铝时，打开离心风机1、第一进气阀2、第二进气阀4、出料阀14，通过离心风机1向腔式吸热器11内部通入空气排出二氧化碳-三氧化二铝；当二氧化碳-三氧化二铝经过收集Y型过滤器13时，二氧化碳-三氧化二铝中的三氧化二铝颗粒被收集重新利用；
[0042] 步骤六：二氧化碳-三氧化二铝排空后，关闭离心风机1、第一进气阀2、第二进气阀4、出料阀14，重新打开第一进料阀7和第二进料阀8，注入新的二氧化碳-三氧化二铝。
[0043] 本发明的工作原理为：
[0044] 使用时，先打开第一进料阀7和第二进料阀8，使二氧化碳和三氧化二铝通过静态混合器9充分混合后进入腔式吸热器11中，经30-40分钟，打开取样阀15，检测腔式吸热器11中填充的二氧化碳-三氧化二铝浓度是否达到要求，若达到要求，关闭第一进料阀7和第二进料阀8；当被定日镜场反射的太阳光进入腔式吸热器11碰到二氧化碳-三氧化二铝后，首先利用三氧化二铝颗粒的吸收作用，将部分太阳辐射吸收，然后以红外辐射的形式释放于气体中，从而可以将腔式吸热器11腔体内光照区高温热源辐射到整个腔式吸热器11腔体内低温区域，以改善腔体空间温度场的非均匀性，接着利用三氧化二铝颗粒的散射作用，可以改变腔式吸热器11腔体内阳光辐射能量和红外辐射能量的传递路径，有效降低阳光直接辐射区域的热流密度峰值，最后利用二氧化碳气体具有选择性光谱吸收特性，可以增加对红外辐射能量的吸收率，减少石英玻璃窗口10对红外辐射能量的吸收，改善腔式吸热器11腔体空间温度场的非均匀性，提高太阳能热流密度分布的均匀性，然后打开风扇12，采用主动强化技术，使腔式吸热器11腔体内部由自然对流变成强制对流状态，迫使高温区域的二氧化碳-三氧化二铝与低温区域的二氧化碳-三氧化二铝快速交换，从而进一步提高太阳能热流密度分布的均匀性；随着吸热器的温度不断升高，内部的压力也会不断增大，当压力表5指针显示吸热器11腔体内部压力超过安全值时，打开第二进气阀4和安全阀3，对腔式吸热器11腔体内部压力进行泄压，以此保持腔式吸热器11腔体内部的压力处于安全压力的范围。秋冬季节，日照强度相对较低，导致阳光辐射能量较少，可以适当降低腔式吸热器11内部的二氧化碳-三氧化二铝的浓度，春夏季节，日照强度相对较高，导致阳光辐射能量较多，可以适当提高腔式吸热器11内部的二氧化碳-三氧化二铝的浓度，因此，当需要更换腔式吸热器11腔体内部的二氧化碳-三氧化二铝时，只需打开离心风机1、第一进气阀2、第二进气阀4、出料阀14，通过离心风机向腔式吸热器11腔体内部通入空气排出二氧化碳-三氧化二铝，当二氧化碳-三氧化二铝经过收集Y型过滤器13时，二氧化碳-三氧化二铝中的三氧化二铝颗粒会被收集重新利用，然后关闭离心风机1、第一进气阀2、第二进气阀4、出料阀14，重新打开第一进料阀7和第二进料阀8，注入新的二氧化碳-三氧化二铝。
[0045] 文中所述“上”“下”“左”“右”“前”“后”等方位性用词，为根据相应附图的方向进行描述；显然，以上具体实施方式中
实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述具体实施方式对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行
修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本
权利要求范围当中。
