西交大张丹课题组: CO2粒子式太阳能集热器中单颗粒能量转换性能的研究

论文信息：

Dan Zhang, Yuhang Chena, Jiangbo Wu et al., Solar energy conversion in CO2-particle solar receivers: A single-particle study. Applied Thermal Engineering 281, 128605 (2025).

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.128605

研究背景：

太阳能热利用是太阳能开发利用的主要方式之一，现有颗粒式太阳能集热器（PSR）可将工作温度提高至1000℃，突破了传统工质的上限（水≤500°C，熔融盐≤700°C），常见PSR类型包括自由落体式、流化床式和逆流式，其中的逆流式PSR使用空气作为工质，无法吸收颗粒的热辐射，造成能量浪费。如果使用CO₂作为工质（CO2-PSR）可同时吸收颗粒的对流散热和在特定波段（2.5–4.5μm、13–17μm）的辐射散热，提高能量利用效率。

研究内容：

本研究以CO2-PSR中的单个颗粒作为研究对象，基于区域法，考虑颗粒与太阳辐射、颗粒与CO2气体之间的辐射吸收、散射（包括自发辐射和反射）以及颗粒与CO2气体之间的对流换热，建立光谱层面的计算模型，分析其将太阳能转换为CO₂可用能量（UE-CO₂）的性能。其具体建模过程如图1所示。

(a)单颗粒的辐射与热交换

(b) 单颗粒的网格划分 (c)辐射换热的计算

图1 基于区域法的单颗粒辐射-对流换热模型

在研究中，我们采用了分光谱的思想，根据太阳光谱、颗粒吸收光谱以及CO2吸收偏好波段将辐射分为了9个波段进行计算，波段划分如图2所示。其中CO2的偏好波段为波段5(2.5–4.5μm)和波段7(13–17μm)，对于颗粒我们以2.5μm为分界点，将其分为α= [α–2.5μm,α+ 2.5μm]来讨论研究。

图2 太阳光谱与CO2吸收光谱比较及波段划分

本研究的主要参数范围如表1所示

表1 本研究主要参数范围

1 颗粒净自发辐射(NSE)

图3比较了不同颗粒光谱吸收率α下，颗粒净自发辐射中全波段辐射通量Jem以及二氧化碳偏好波段辐射通量JCO2 em随温度的变化，可以发现：在相同温度下，随α+ 2.5μm的增加，JCO2 em单调增加，而在任意α下，Jem和JCO2 em均随温度单调增加。进一步的，可以发现颗粒自发辐射偏好波段中二氧化碳偏好波段辐射通量的强度主要取决于颗粒温度以及α+ 2.5μm。

图3 净自发辐射通量与颗粒吸收率以及温度的比较

2 平衡温度

图4(a-b)比较了不同吸收率α下颗粒温度场的演变和颗粒自发辐射中CO2偏好波段ICO2 em的分布。结果表明在给定外照射通量的情况下，无论α值如何，颗粒温度均单调增加。当颗粒达到平衡状态，其温度场不再变化。同时，ICO2 em随温度单调增加，各个方向的ICO2 em也增强。也就是说，颗粒向CO2提供的能量(UE-CO2)总量在平衡状态下达到最大值。

(a) 颗粒温度场

(b) 颗粒净自发辐射中CO2偏好波段的定向发射强度

图4 颗粒温度场以及颗粒净自发辐射中CO2偏好波段的定向发射强度的演化

图5展示了在给定外部辐射Jb和对流换热系数hcov的情况下，颗粒平衡温度与颗粒光谱吸收率的关系曲线，可以发现在较小α–2.5μm下，颗粒平衡温度与α+ 2.5μm几乎无关，这是由于颗粒自发辐射不足；而在大α–2.5μm下，颗粒平衡温度随α+ 2.5μm的减小而增大，这有利于提高UE-CO2的品质。

图5 平衡温度与粒子光谱吸收率的曲线

3 颗粒选择准则

图6为临界平衡状态下颗粒热效率以及粒子分类。由图(a)可知颗粒的临界热效率(ηcr)随α–2.5μm和α+ 2.5μm的增大而增大，而当α在ηcr＞0.5的范围内时，才有可能将JCO2 em提高至0.5甚至更高。图(b)是将不同外部辐射下，ηcr =0.5的曲线绘制在一张图上，不同外部辐射下ηcr＞0.5的区域均位于图像右上角。我们用最小二乘法拟合法拟合出了这些曲线的包络线，并引入Z数，Z定义为：

将该范围，即Z＞1定义为SP1区，这部分的颗粒能够通过辐射高效的将太阳辐射转化为二氧化碳能够利用的能量。

(a) 临界平衡状态下的热效率曲线

(b) 根据光谱吸收率对粒子进行分类

图 6 临界平衡态的热效率和粒子分类

4 辐射与对流耦合换热

图7以吸收率为α=[1,1]的SP1粒子为例，展示了颗粒平衡温度Teq,m、光谱调制效率ESM、对流辐射比率β和颗粒热效率η随Jb和hcov的变化曲线。我们将认为η=0.5曲线上方区域是给定颗粒的合理工作区域，利用β=1的曲线进一步将该区域划分为上部的对流控制区（CC）以及下部的辐射控制区（RC），这意味着SP1粒子可以通过调节hcov或Jb来切换这两种模式。SP1颗粒在RC中工作可以提供更高强度和更高品位的UE-CO2；而在CC环境下工作，能提供更高热效率的UE-CO2。

图7 颗粒Teq,m、ESM、β和η随Jb和hcov的变化

5 颗粒自发辐射中CO2偏好波段的空间分布规律

图8为不同颗粒粒径与对流换热系数下，平衡时颗粒温度场以及颗粒自发辐射中CO2偏好波段ICO2 em。随着颗粒尺寸的增大，Bi数增加，使得颗粒内部的热扩散更加困难。结果表明，颗粒辐照侧的温度远高于背面的温度，因此，辐照侧的ICO2 em比另一侧的ICO2 em强得多，即与正向辐射方向相反的ICO2 em大于另一侧。

(a) 颗粒温度场

(b) 颗粒自发辐射中CO2偏好波段的空间分布

图8 平衡状态下颗粒温度场与ICO2 em的空间分布随颗粒粒径和对流换热系数的变化

我们发现Bi数影响颗粒自发辐射中CO2偏好波段的空间分布规律，于是我们进一步研究了颗粒与正向辐射方向相反的ICO2 em在总ICO2 em中的占比(rf,b)随Bi数变化的规律，结果如图9所示，随Bi数增大，rf,b逐渐减小且不超过0.5。这说明颗粒在受辐照侧的发出的CO2偏好波段辐射占大多数。

于是我们提出了图10所示的颗粒布置方式。在粒子阵列的辐照侧或中间放置Bi数较小的粒子，这有利于热辐射在粒子阵列中的均匀分散。而在背面外缘放置Bi数较大的粒子，则可以减少热辐射的损失。

图9正向辐照方向的自发辐射比例随Bi数的变化

图10 基于ICO2 em的粒子阵列空间构型

结论与展望

本研究以CO2-PSR中的单个粒子为研究对象，根据区域法建立了光谱水平的计算模型。结果表明，粒子的辐射耗散和对流耗散是紧密耦合的。辐射比例主要取决于粒子的光谱吸收率，据此引入了Z数。Z> 1的粒子适合于CO2-PSR。它可以主要通过辐射（辐射控制模式，RC）或主要通过对流（对流控制模式，CC）将能量传递给CO2。在此基础上提出了一系列光谱调制效率、平衡温度和相应的太阳辐照通量的经验公式，这些结论为CO2-PSR的设计和运行提供了有益的技术支持。在这项研究的基础上，我们团队正在进行CO2-PSR试验系统的构建以及颗粒群辐射/对流的换热特性的研究。

人物简介

西安交通大学能动学院张丹教授与兰州理工大学吴江波教授，以太阳能光热利用为背景,围绕太阳能光谱调制、热辐射、气液/颗粒多相流、可压缩流动等领域开展了一系列基础性的机理探索与原创性的应用开发，推动相关领域取得突破性进展。近年来在International Journal of Heat and Mass Transfer, Applied Thermal Engineering等期刊发表系列论文。此外, 该课题组还针对工程热物理应用中普遍存在的热辐射与多相流耦合过程开发了通用数值模拟计算平台, 填补了该领域数值仿真的技术缺口。