[发明专利]一种多孔介质太阳能吸热器结构和运行参数优化方法

说明书

本发明公开了一种应用于太阳能光热转化技术领域的多孔介质太阳能吸热器结构和运行参数优化方法。利用非热平衡模型计算多孔介质太阳能吸热器的换热特性，耦合遗传算法对吸热器的结构参数和运行参数进行优化，以获得使得吸热器性能最优的参数组合。本发明综合考虑了吸热器吸热、换热各个环节，利用智能优化算法实现参数的自动筛选，实现了多参数同时优化的功能。本发明具有高效性、准确性和通用性，能够大量节省设计的人力和时间成本，提高优化的精度，同时能够用于设计优化参数不同、优化目标函数不同，几何结构不同的多孔介质吸热器。

技术领域

本发明属于太阳能热利用领域，具体涉及一种多孔介质太阳能吸热器结构和运行参数优化方法。

背景技术

聚光型太阳能热发电技术是一种清洁、安全、可靠并且具有广阔前景的可再生能源利用技术。太阳能吸热器作为光能到热能转化的关键部件，针对其换热性能的优化研究为整个系统的高效运行提供了重要保障。作为一种新型的容积式吸热器，多孔介质吸热器近年来受到了国内外学者的高度关注。其较高的通孔率使得太阳辐射在吸热器内部被吸收，形成“体吸收”效应；而其复杂无序的三维结构，增大了换热表面，增强了换热流体和吸热器之前的对流换热效率。然而，多孔介质太阳能吸热器的实际安装商业化运行，依然面临一系列挑战。其中包括：(1)多孔介质太阳能吸热器的研究集中在单一变量对吸热器性能的影响，缺少多变量分析的方法；(2)缺少多孔介质吸热器的设计方法。在指定条件下，缺少合理选择吸热器结构参数和运行参数的方法，以保证吸热器高效地运行。

目前国内外学者针对多孔介质太阳能吸热器开展了一系列研究。Wu等人采用非热平衡模型(LTNE)耦合P1模型，求解多孔介质太阳能吸热器的换热特性。分别研究了多孔介质的孔隙率、孔径、热导率以及吸热器入口流速对吸热器内部温度分布特性的影响。Chen等利用蒙特卡罗光线追踪(MCRT)技术，获取太阳辐射能量在多孔介质吸热体内部的分布情况，耦合非热平衡模型和P1模型，求解了多孔介质太阳能吸热器内部的流动换热过程。分析了不同太阳辐射模型对计算结果的影响。S.Mey-Cloutier等人实验研究了不同材料的陶瓷多孔介质作为太阳能吸热的光热转换效率。同时，分析了多孔介质几何结构参数(孔隙率、孔径等)对吸热器整体性能的影响。从以上的分析可以看出，针对多孔介质太阳能吸热器的研究多集中在单一参数对吸热器性能影响的分析，为了筛选性能优异的吸热器需要进行大量的数值模拟和实验工作。同时，在多参数同时变化情况下，现有研究工作未能给出吸热器参数的优选方法。

发明内容

本发明的目的在于针对目前多孔介质太阳能吸热器研究和设计中存在的不足，提出了一种适用于单变量和多变量的高效优化，可以实现吸热器参数的自动优选，以获得满足优化需求的多孔介质结构参数和吸热器运行参数的多孔介质太阳能吸热器结构和运行参数优化方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

步骤1)：确定待优化的多孔介质太阳能吸热器的非优化几何参数和运行参数；

步骤2)：初始化待优化的多孔介质太阳能吸热器的几何参数和运行参数；

步骤3)：根据初始化或遗传算法优化的几何参数和运行参数，采用Beer定律和多孔介质反射特性，计算多孔介质吸热器的透射损失和反射损失，从而确定吸收率；根据Beer定律导出太阳辐射能流密度在吸热体内部的分布：

I(x)＝I(0)Cβe^-βx

I(x)是x位置处的辐射能流密度，C是根据透射和反射损失计算得到的修正系数，β是多孔介质的衰减系数；

步骤4)：采用非热平衡模型耦合Rosseland扩散方程，求解多孔介质太阳能吸热器内部的流动换热：