近日，中南大学能源科学与工程学院，湖南科技大学土木工程学院和澳大利亚新南威尔士大学机械与制造工程学院、光伏与可再生能源工程学院的ZhenghuaRao、SitengBao、XianpingLiu、Robert A.Taylor、ShengmingLiao在《Applied Energy》期刊上发表论文《一种根据使用寿命估计超临界二氧化碳下太阳能集热器许用能流密度的方法》。
论文表示：太阳能集热器的许用能流密度对于其使用寿命以及太阳能热发电系统的可行性至关重要。
本研究利用ANSYS有限元软件建立了螺旋管集热器的三维稳态模型，通过加载边界条件得到了不同能流分布下螺旋管管壁内部的温度场和应力场分布；采用Mendelson-Roberts-Manson经验公式对相应条件下的螺旋管进行了蠕变-疲劳分析，结合蠕变-疲劳损伤表预判了螺旋盘管预期使用寿命，从而根据集热器的标准要求寿命来预估不同能流分布下的许用能流密度。考虑吸热管壁面轴向、周向非均匀能流分布的特性，探究了能流分布对集热器热力特性的影响。同时，还研究了入口温度和介质流量两个影响因素对腔式集热器的许用能流密度的影响情况。
结果表明，对于集热器反射率为1.0和0.6的能流分布而言，所得到的许用能流密度分别为138.8和172.5kW/㎡；对于均匀的能流分布而言，所得到的许用能流密度为163.80 kW/㎡。
集热器的工作原理及几何构造
三种能流分布情况
结果讨论
三种能流分布下流体温度，管壁温度，管内外壁温差及管壁应力随高度变化各不相同。其中流体的进出口温度都相同是由于入射总能量是保持不变的，不同能流分布下能量密度越高的地方其管内外壁温差也越大，从而产生的管壁应力也就越高。
三种能流分布下流体温度，管壁温度，管内外壁温差及管壁应力随高度变化规律
根据螺旋管的温度和应力值计算各处的蠕变疲劳损伤值，从而得到损伤值最大的点，即定义为危险点。三种能流分布下危险点的位置不尽相同，主要分布在应力集中区域或温度集中区域。
三种能流分布下温度场和应力场分布及危险点位置
三种能流分布下，集热器预期使用寿命的对数值与总能量大小近似成线性变化规律。随着总能量的增加，集热器的预期使用寿命在不断下降，直到低于标准寿命；其中反射率为0.6的能流分布对应的预期使用寿命最高而反射率为1.0的最低。代表不同能流分布的使用寿命的实线与代表标准寿命的虚线的交点的横坐标即为此种分布的许用能流密度。
三种能流分布下，随着入口温度的增加，集热器的许用能流密度不断减小，其中反射率为1.0的能流分布的减小速率明显小于另外两种分布；三种能流分布下，随着介质流量的增加，集热器的许用能流密度不断增加，其中反射率为1.0的能流分布的增加速率明显小于另外两种分布。
三种能流分布下许用能流密度随入口温度的变化规律
三种能流分布下许用能流密度随介质流量的变化规律
