Energy Reviews | 多孔体积式太阳能接收器和吸收性能提升的研究进展
文章题目：Advances in porous volumetric solar receivers and enhancement of volumetric absorption
关键词：Porous media; Volumetric solar receiver; Experiment progress; Direct pore-scale simulation; Volume averaging simulation; Volumetric absorption enhancement
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772970223000226
近日，西安交通大学何雅玲院士团队在Energy Reviews发表文章“Advances in porous volumetric solar receivers and enhancement of volumetric absorption”, 该文章详细分析了在太阳能热发电系统中，利用多孔材料的体积吸收特性来提高太阳能吸收效率的技术，这些多孔体结构可以通过孔隙网络将太阳能辐射均匀地分布到吸热器整个体积中，实现更大的吸收面积。这一提高太阳能吸收效率的新技术，为太阳能热发电系统的改进和发展提供了重要的参考。
01 内容简介
1. Introduction （前言）
2. Advances in experiment research on porous volumetric solar receivers (多孔体积式太阳能接收器的实验研究进展)
2.1. Development progress in the porous volumetric solar receivers (多孔体积式太阳能接收器的进展)
2.2. Thermal efficiency analysis of porous volumetric solar receivers (多孔体积式太阳能接收器的热效率分析)
2.3. Transient performance of porous volumetric solar receivers (多孔体积式太阳能接收器的瞬态性能)
3. Advances in theoretical research on porous volumetric solar receivers (多孔体积式太阳能接收器的理论研究进展)
3.1. Direct pore-scale numerical simulation method (直接孔隙尺度数值模拟方法)
3.1.1. Pore-scale model reconstruction of the porous media (多孔介质的孔隙尺度模型重建)
3.1.2. Direct pore-scale numerical simulation of fluid flow and heat transfer (孔隙尺度下流体流动和传热的直接数值模拟)
3.2. Volume averaging simulation method (体积平均模拟方法)
3.2.1. Fluid flow in the porous media (多孔介质中的流体流动)
3.2.2. Heat transfer in the porous media (多孔介质中的传热)
4. Advances in volumetric absorption enhancement (体积吸收增强的进展)
4.1. Geometrical parameter optimization (几何参数优化)
4.2. Spectrally selective absorption (光谱选择性吸收)
5. Conclusions and outlooks (结论与展望)
02 内容亮点
1、本文介绍了多孔体积式太阳能接收器实验研究的进展；
2、论文详细阐述了多孔体积式太阳能接收器的多尺度理论研究；
3、总结了增强太阳能体积吸收的技术。
03 内容导读
多孔体积太阳能接收器的实验研究始于1980年代，最早应用金属丝网作为吸收器，并安装在太阳能碟上。空气通过金属丝网，在接收器的出口处达到842°C，基于这种太阳能热能利用方法，多孔体积式太阳能接收器受到了广泛的关注。由于空气的出口温度通常受多孔介质的最高允许温度限制，德国航空航天中心（DLR）主张在多孔体积式太阳能接收器中应用陶瓷类材料。其中HiTRec和SOLAIR是比较成熟的技术，它们采用模块化设计理念和回气系统，采用蜂窝SiC多孔结构。2009年，尤利希太阳能塔应用了HiTRec技术，在仅太阳能运行模式下，出口空气温度达到650°C，并向区域电网输送了1兆瓦的电力。
热效率是评估太阳能接收器的关键指标。接收器的热效率定义为传热流体吸收的能量与总入射太阳能的比率。接收器的更高热效率可以通过限制导热、对流和辐射损耗来实现，更高的热效率意味着太阳辐射被有效地捕获、吸收和转换。多孔体积式太阳能接收器根据研究被分为以下三组：无回气系统或预热的接收器、带回气系统的接收器和带预热的接收器。通常，带有空气回流系统的大气多孔体积太阳能接收器可以提高出风口温度，同时提供更高的热效率。
为了研究详细的流体流动和传热过程，研究人员应用了多尺度仿真方法。为此，他们建立了高孔隙度多孔介质的孔隙尺度模型。因为要考虑复杂的多孔结构，所以模拟研究是在孔隙尺度上进行的。其主要任务是基于周期性晶胞、随机或 X 射线 CT 重建方法重建多孔几何形状，然后基于直接孔隙尺度模拟方法求解太阳辐射传递和耦合传热问题。
04 重要结论
自1980年代以来，对多孔体积太阳能接收器进行了大量的实验研究，主要集中在材料选择、结构设计和系统操作等方面。研究表明，陶瓷材料由于其较高的温度上限和抗氧化性，在多孔体积太阳能接收器中具有较好的选择性，碳化硅则因其良好的吸收性能和耐高温特性而得到广泛应用。
针对大气多孔体积式太阳能接收器，Solar Tower Jülich通过模块化设计和空气回流系统展示了一种成熟的设计方案，该设计方案易于扩大规模，并具有较高的热效率。然而，加压多孔体积太阳能接收器存在二次聚光器和透明窗等问题，不均匀和高温的工作条件严重影响了系统的热效率和长期使用。因此，对接收器的长期稳定性进行测试，并建立基于多孔体积太阳能接收器的大型集中式太阳能发电系统，以评估其与各种电源周期的兼容性至关重要。
考虑到多孔介质结构复杂、实验测量条件有限以及高昂的实验成本，数值模拟方法成为分析多孔体积太阳能接收器流体流动和传热性能的重要手段。直接孔尺度数值模拟方法可以准确揭示接收器内部的流体流动和传热过程，但需要大量计算资源，并且难以建立考虑太阳辐射传递和耦合传热的全尺寸数值模型。相比之下，体积平均仿真方法可以快速评估多孔体积太阳能接收器的热性能，成为参数灵敏度分析和优化设计的主要工具。然而，该方法的准确性取决于经验参数的合理选择，因此，建立全尺寸的直接孔隙尺度模型来研究多孔骨架形貌和多孔体积太阳能接收器的瞬态性能非常必要。在REV尺度上，体积平均仿真方法可以集成更有效的优化算法，考虑多孔结构的不规则形状和复杂气流路径，从而优化多孔体积太阳能接收器的整体性能。
为了增强多孔介质的体积吸收，许多研究集中在几何参数的轴向优化上，但在多层设计的热效率改进方面，不同的研究结果并不一致。此外，尽管已经开始利用3D打印技术制造具有非均匀结构的多孔介质，但对设计概念的实验验证仍未完成。因此，建立总体评价指标并总结优化路线图非常重要。另外，许多数值和实验研究已证明了光谱选择性吸收概念的高效性，但为了准确测量多孔介质和传热流体的辐射特性，仍需要进一步的实验工作。因此，需要进行更多的实验来验证光谱选择性多孔体积太阳能接收器的优异热性能。
作者简介：
何雅玲，中国科学院院士，工程热物理专家，现任第二十届中央委员会候补委员，西安交通大学学术委员会主任。长期从事能源的高效利用及节能理论与新方法、强化传热新技术（含电子器件冷却）、太阳能高效综合利用、储能科学与新技术、制冷与空调技术、航天航空中的热流科学问题等方面的研究，研究成果在航天、能源和化工等领域得到广泛应用。发表SCI学术论文600余篇，中英文著作和教材12部（含合著），获授权发明专利70余项，软件著作权30余项。论著和成果被引30400余次，SCI被引21000余次，是工程领域ISI高被引学者前1%，连续入选“全球高被引科学家”及中国高被引学者等。
Energy Reviews
简介
《Energy Reviews》是由深圳大学主办，联合 Elsevier出版集团创办的一本国际性、跨学科、高质量开放获取 (Open Access) 学术期刊，由谢和平院士担任创刊主编，美国工程院Derek Elsworth院士、中国科学院何雅玲院士、李永舫院士、香港理工大学倪萌教授担任联合主编。发表能源领域前沿方向、最新进展、发展趋势、权威观点等高质量学术文章，构建全球能源一流成果和一流学者的合作交流平台，向公众传播有影响力的能源领域研究成果。接收包括但不限于能源研究的新理论、新方法和新技术; 能源研究的多学科（材料、物理、化学、生物等）交叉融合探索技术; 化石能源低碳利用与CCUS; 氢能、可再生能源与储能先进技术; 新型能源转换方式探索与应用; 能源领域现代信息技术（人工智能，大数据）等相关方向的优质稿件。
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