文章題目：Advances in porous volumetric solar receivers and enhancement of volumetric absorption

關(guān)鍵詞：Porous media;?Volumetric solar receiver;?Experiment progress;?Direct pore-scale simulation;?Volume averaging simulation;?Volumetric absorption enhancement

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772970223000226

????近日，西安交通大學(xué)何雅玲院士團(tuán)隊(duì)在Energy Reviews發(fā)表文章“Advances in porous volumetric solar receivers and enhancement of volumetric absorption”,?該文章詳細(xì)分析了在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，利用多孔材料的體積吸收特性來提高太陽能吸收效率的技術(shù)，這些多孔體結(jié)構(gòu)可以通過孔隙網(wǎng)絡(luò)將太陽能輻射均勻地分布到吸熱器整個體積中，實(shí)現(xiàn)更大的吸收面積。這一提高太陽能吸收效率的新技術(shù)，為太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的改進(jìn)和發(fā)展提供了重要的參考。

01?內(nèi)容簡介

????1.?Introduction （前言）

????2.?Advances in experiment research on porous volumetric solar receivers (多孔體積式太陽能接收器的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展)

????? 2.1. Development progress in the porous volumetric solar receivers (多孔體積式太陽能接收器的進(jìn)展)?

????? 2.2. Thermal efficiency analysis of porous volumetric solar receivers (多孔體積式太陽能接收器的熱效率分析)?

????? 2.3. Transient performance of porous volumetric solar receivers (多孔體積式太陽能接收器的瞬態(tài)性能)

????3.?Advances in theoretical research on porous volumetric solar receivers (多孔體積式太陽能接收器的理論研究進(jìn)展)?

????? 3.1. Direct pore-scale numerical simulation method (直接孔隙尺度數(shù)值模擬方法)?

????????? 3.1.1. Pore-scale model reconstruction of the porous media (多孔介質(zhì)的孔隙尺度模型重建)?

????????? 3.1.2. Direct pore-scale numerical simulation of fluid flow and?heat transfer (孔隙尺度下流體流動和傳熱的直接數(shù)值模擬)?

????? 3.2. Volume averaging simulation method (體積平均模擬方法)?

????????? 3.2.1. Fluid flow in the porous media (多孔介質(zhì)中的流體流動)?

????????? 3.2.2. Heat transfer in the porous media (多孔介質(zhì)中的傳熱)

????4.?Advances in volumetric absorption enhancement (體積吸收增強(qiáng)的進(jìn)展)?

????? 4.1. Geometrical parameter optimization (幾何參數(shù)優(yōu)化)?

????? 4.2. Spectrally selective absorption (光譜選擇性吸收)

????5. Conclusions and outlooks (結(jié)論與展望)

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02?內(nèi)容亮點(diǎn)

????1、本文介紹了多孔體積式太陽能接收器實(shí)驗(yàn)研究的進(jìn)展；

????2、論文詳細(xì)闡述了多孔體積式太陽能接收器的多尺度理論研究；

????3、總結(jié)了增強(qiáng)太陽能體積吸收的技術(shù)。

03?內(nèi)容導(dǎo)讀

????多孔體積太陽能接收器的實(shí)驗(yàn)研究始于1980年代，最早應(yīng)用金屬絲網(wǎng)作為吸收器，并安裝在太陽能碟上。空氣通過金屬絲網(wǎng)，在接收器的出口處達(dá)到842°C，基于這種太陽能熱能利用方法，多孔體積式太陽能接收器受到了廣泛的關(guān)注。由于空氣的出口溫度通常受多孔介質(zhì)的最高允許溫度限制，德國航空航天中心（DLR）主張?jiān)诙嗫左w積式太陽能接收器中應(yīng)用陶瓷類材料。其中HiTRec和SOLAIR是比較成熟的技術(shù)，它們采用模塊化設(shè)計理念和回氣系統(tǒng)，采用蜂窩SiC多孔結(jié)構(gòu)。2009年，尤利希太陽能塔應(yīng)用了HiTRec技術(shù)，在僅太陽能運(yùn)行模式下，出口空氣溫度達(dá)到650°C，并向區(qū)域電網(wǎng)輸送了1兆瓦的電力。

? ? 熱效率是評估太陽能接收器的關(guān)鍵指標(biāo)。接收器的熱效率定義為傳熱流體吸收的能量與總?cè)肷涮柲艿谋嚷省＝邮掌鞯母邿嵝士梢酝ㄟ^限制導(dǎo)熱、對流和輻射損耗來實(shí)現(xiàn)，更高的熱效率意味著太陽輻射被有效地捕獲、吸收和轉(zhuǎn)換。多孔體積式太陽能接收器根據(jù)研究被分為以下三組：無回氣系統(tǒng)或預(yù)熱的接收器、帶回氣系統(tǒng)的接收器和帶預(yù)熱的接收器。通常，帶有空氣回流系統(tǒng)的大氣多孔體積太陽能接收器可以提高出風(fēng)口溫度，同時提供更高的熱效率。

????為了研究詳細(xì)的流體流動和傳熱過程，研究人員應(yīng)用了多尺度仿真方法。為此，他們建立了高孔隙度多孔介質(zhì)的孔隙尺度模型。因?yàn)橐紤]復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)，所以模擬研究是在孔隙尺度上進(jìn)行的。其主要任務(wù)是基于周期性晶胞、隨機(jī)或 X 射線 CT 重建方法重建多孔幾何形狀，然后基于直接孔隙尺度模擬方法求解太陽輻射傳遞和耦合傳熱問題。

04?重要結(jié)論

????自1980年代以來，對多孔體積太陽能接收器進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，主要集中在材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)操作等方面。研究表明，陶瓷材料由于其較高的溫度上限和抗氧化性，在多孔體積太陽能接收器中具有較好的選擇性，碳化硅則因其良好的吸收性能和耐高溫特性而得到廣泛應(yīng)用。

????針對大氣多孔體積式太陽能接收器，Solar Tower Jülich通過模塊化設(shè)計和空氣回流系統(tǒng)展示了一種成熟的設(shè)計方案，該設(shè)計方案易于擴(kuò)大規(guī)模，并具有較高的熱效率。然而，加壓多孔體積太陽能接收器存在二次聚光器和透明窗等問題，不均勻和高溫的工作條件嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的熱效率和長期使用。因此，對接收器的長期穩(wěn)定性進(jìn)行測試，并建立基于多孔體積太陽能接收器的大型集中式太陽能發(fā)電系統(tǒng)，以評估其與各種電源周期的兼容性至關(guān)重要。

????考慮到多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)測量條件有限以及高昂的實(shí)驗(yàn)成本，數(shù)值模擬方法成為分析多孔體積太陽能接收器流體流動和傳熱性能的重要手段。直接孔尺度數(shù)值模擬方法可以準(zhǔn)確揭示接收器內(nèi)部的流體流動和傳熱過程，但需要大量計算資源，并且難以建立考慮太陽輻射傳遞和耦合傳熱的全尺寸數(shù)值模型。相比之下，體積平均仿真方法可以快速評估多孔體積太陽能接收器的熱性能，成為參數(shù)靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計的主要工具。然而，該方法的準(zhǔn)確性取決于經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的合理選擇，因此，建立全尺寸的直接孔隙尺度模型來研究多孔骨架形貌和多孔體積太陽能接收器的瞬態(tài)性能非常必要。在REV尺度上，體積平均仿真方法可以集成更有效的優(yōu)化算法，考慮多孔結(jié)構(gòu)的不規(guī)則形狀和復(fù)雜氣流路徑，從而優(yōu)化多孔體積太陽能接收器的整體性能。

????為了增強(qiáng)多孔介質(zhì)的體積吸收，許多研究集中在幾何參數(shù)的軸向優(yōu)化上，但在多層設(shè)計的熱效率改進(jìn)方面，不同的研究結(jié)果并不一致。此外，盡管已經(jīng)開始利用3D打印技術(shù)制造具有非均勻結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)，但對設(shè)計概念的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仍未完成。因此，建立總體評價指標(biāo)并總結(jié)優(yōu)化路線圖非常重要。另外，許多數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究已證明了光譜選擇性吸收概念的高效性，但為了準(zhǔn)確測量多孔介質(zhì)和傳熱流體的輻射特性，仍需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)工作。因此，需要進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證光譜選擇性多孔體積太陽能接收器的優(yōu)異熱性能。

作者簡介：

????何雅玲，中國科學(xué)院院士，工程熱物理專家，現(xiàn)任第二十屆中央委員會候補(bǔ)委員，西安交通大學(xué)學(xué)術(shù)委員會主任。長期從事能源的高效利用及節(jié)能理論與新方法、強(qiáng)化傳熱新技術(shù)（含電子器件冷卻）、太陽能高效綜合利用、儲能科學(xué)與新技術(shù)、制冷與空調(diào)技術(shù)、航天航空中的熱流科學(xué)問題等方面的研究，研究成果在航天、能源和化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。發(fā)表SCI學(xué)術(shù)論文600余篇，中英文著作和教材12部（含合著），獲授權(quán)發(fā)明專利70余項(xiàng)，軟件著作權(quán)30余項(xiàng)。論著和成果被引30400余次，SCI被引21000余次，是工程領(lǐng)域ISI高被引學(xué)者前1%，連續(xù)入選“全球高被引科學(xué)家”及中國高被引學(xué)者等。

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?Energy Reviews

簡介?

????《Energy Reviews》是由深圳大學(xué)主辦，聯(lián)合 Elsevier出版集團(tuán)創(chuàng)辦的一本國際性、跨學(xué)科、高質(zhì)量開放獲取?(Open Access)?學(xué)術(shù)期刊，由謝和平院士擔(dān)任創(chuàng)刊主編，美國工程院Derek Elsworth院士、中國科學(xué)院何雅玲院士、李永舫院士、香港理工大學(xué)倪萌教授擔(dān)任聯(lián)合主編。發(fā)表能源領(lǐng)域前沿方向、最新進(jìn)展、發(fā)展趨勢、權(quán)威觀點(diǎn)等高質(zhì)量學(xué)術(shù)文章，構(gòu)建全球能源一流成果和一流學(xué)者的合作交流平臺，向公眾傳播有影響力的能源領(lǐng)域研究成果。接收包括但不限于能源研究的新理論、新方法和新技術(shù);?能源研究的多學(xué)科（材料、物理、化學(xué)、生物等）交叉融合探索技術(shù);?化石能源低碳利用與CCUS;?氫能、可再生能源與儲能先進(jìn)技術(shù);?新型能源轉(zhuǎn)換方式探索與應(yīng)用;??能源領(lǐng)域現(xiàn)代信息技術(shù)（人工智能，大數(shù)據(jù)）等相關(guān)方向的優(yōu)質(zhì)稿件。

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