太陽能空氣高溫集熱與陶瓷蓄熱的數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究

【摘要】：隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的加劇,可再生清潔能源的開發(fā)利用越發(fā)受到重視。太陽能作為清潔、豐富的可再生能源,在全世界范圍內(nèi)越發(fā)受到關(guān)注。聚光太陽能熱發(fā)電技術(shù)發(fā)電效率高,可以通過蓄熱實(shí)現(xiàn)晝夜連續(xù)發(fā)電,增加了發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對一般太陽能集熱和儲熱溫度不高等問題,開展基于空氣介質(zhì)的高溫集熱和陶瓷蓄熱的試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。建立泡沫陶瓷容積式集熱接收器、盤管腔式集熱接收器以及兩者結(jié)合的復(fù)合式集熱接收器等三種不同結(jié)構(gòu)的空氣高溫集熱系統(tǒng),在太陽能模擬燈下開展試驗(yàn)研究?？疾炜諝饬髁?、流動方向、吸熱材料厚度、玻璃蓋板、空氣壓力等參數(shù)對于集熱接收器出口空氣溫度的影響,分析集熱接收器類型對溫度場分布和集熱效率的影響規(guī)律。結(jié)果表明,隨著流量的增加,空氣出口溫度逐漸降低,熱效率隨之升高：正向流動的出口空氣溫度高于反向流動,兩者溫差約為100℃,熱效率也較高。復(fù)合式集熱接收器的熱效率最高,泡沫陶瓷容積式集熱接收器的熱效率最低,在相同流量下復(fù)合式集熱接收器的熱效率較泡沫陶瓷集熱接收器高～18%左右。試驗(yàn)中,在平均入射光強(qiáng)170kw/m。條件下,復(fù)合式集熱接收器的出口空氣溫度最高可達(dá)604℃(1m3/h),集熱接收器熱效率最高可達(dá)70.9%(7m3/h)。在數(shù)值模擬方面,首先采用ASAP光學(xué)模擬軟件,建立太陽能模擬燈的光路模型,利用朗伯板測試系統(tǒng)驗(yàn)證光源模型的正確性,進(jìn)而研究不同集熱接收器內(nèi)部的聚焦光斑能流分布基本規(guī)律。將光斑實(shí)際分布作為集熱接收器內(nèi)傳熱數(shù)值模擬的熱邊界條件,建立光熱耦合模型。模擬結(jié)果的出口空氣溫度值略高于試驗(yàn)值,兩者偏差基本在5%以內(nèi),這主要是由于模型中忽略了集熱接收器底部的散熱損失。數(shù)值模擬結(jié)果表明：隨著空氣流量的增大,出口空氣溫度線性降低,集熱接收器的熱效率隨之增加；隨著入射光強(qiáng)的增大,出口空氣溫度隨之升高,而集熱接收器的熱效率隨之降低。入射光斑的分布情況會較大程度的影響氣固溫度場的分布。泡沫陶瓷吸熱體厚度的增加會延緩系統(tǒng)達(dá)到熱平衡狀態(tài)的時間?；诩療峤邮掌鞯哪芰科胶饽Ｐ头治黾療峤邮掌鞯臒嵝始案黜棢釗p失,當(dāng)空氣流量從1m3/h增加到8m3/h時,各部分的熱損失均隨之降低,而集熱接收器熱效率隨之增加,復(fù)合式集熱接收器的熱效率由17%增加至75.9%。復(fù)合式集熱接收器內(nèi)壁面透過玻璃蓋板的輻射熱損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于泡沫陶瓷容積式集熱接收器,減少幅度約為20%～10%,復(fù)合式集熱接收器整體的熱效率高于泡沫陶瓷集熱接收器。在各部分的熱損失中,外殼壁面的輻射和對流熱損失所占比例最大。隨著入射光強(qiáng)的增大,各部分的熱損失均隨之增大,而集熱接收器熱效率隨之降低。隨著保溫層厚度的增加,通過外殼壁面的散熱損失可顯著減少,散熱損失相較于6cm厚度的保溫層分別減少36%(10cm)和52%(15cm)。以上研究為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計高溫空氣集熱系統(tǒng)及運(yùn)行參數(shù)提供參考依據(jù)。建立蜂窩陶瓷高溫固體顯熱蓄熱試驗(yàn)系統(tǒng),相比較熔融鹽、導(dǎo)熱油等儲熱介質(zhì)可適用于高溫蓄熱工況下。試驗(yàn)結(jié)果表明,蓄熱2小時的熱量可提供約30分鐘的有效放熱時間,蓄熱系統(tǒng)熱效率約為66%。建立蜂窩陶瓷傳熱模型,模型中考慮換熱系數(shù)、氣體參數(shù)等在儲熱釋熱過程中隨溫度的依變關(guān)系。利用數(shù)值模擬分析蜂窩陶瓷蓄熱體不同物性參數(shù)、幾何參數(shù)對于蓄熱效果的影響,綜合考慮各參數(shù)的影響設(shè)計能夠長期穩(wěn)定且高效運(yùn)行的高溫蓄熱系統(tǒng),優(yōu)化后的有效放熱時間可達(dá)8小時,蓄熱系統(tǒng)的熱效率可達(dá)90%。提出太陽能高溫蓄熱發(fā)電梯級熱利用系統(tǒng),發(fā)電效率約為14.3%～22.4%,通過余熱梯級有效利用,系統(tǒng)整體熱效率可達(dá)65%。太陽能一微型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中,太陽能輸入可占總輸入能量的36.4%～50.6%,為太陽能的應(yīng)用提供了良好的方案和前景。 【關(guān)鍵詞】：太陽能 空氣高溫集熱 光熱耦合 蜂窩陶瓷 顯熱蓄熱 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TK513.3
【目錄】：

• 致謝5-7
• 摘要7-9
• ABSTRACT9-19
• 第1章 緒論19-50
• 1.1 研究背景19-22
• 1.2 太陽能的開發(fā)與利用22-25
• 1.2.1 太陽能資源22-24
• 1.2.2 太陽能利用技術(shù)24-25
• 1.3 太陽能聚光熱發(fā)電技術(shù)25-33
• 1.4 太陽能集熱器的研究進(jìn)展33-47
• 1.4.1 集熱器的定義和分類33-34
• 1.4.2 介質(zhì)不同的集熱器34-37
• 1.4.3 結(jié)構(gòu)不同的集熱器37-42
• 1.4.4 典型結(jié)構(gòu)的高溫空氣集熱器42-45
• 1.4.5 太陽能集熱-熱力循環(huán)45-46
• 1.4.6 小結(jié)46-47
• 1.5 本文主要研究內(nèi)容47-50
• 第2章 試驗(yàn)系統(tǒng)與試驗(yàn)方法50-63
• 2.1 前言50
• 2.2 太陽能模擬燈系統(tǒng)50-51
• 2.3 ASAP軟件介紹及光源模擬51-52
• 2.4 朗伯板測量系統(tǒng)及結(jié)果分析52-57
• 2.4.1 朗伯板測量系統(tǒng)及試驗(yàn)裝置52-54
• 2.4.2 朗伯板測量測量結(jié)果分析54-57
• 2.5 空氣集熱接收器的試驗(yàn)系統(tǒng)及方法57-62
• 2.5.1 空氣集熱接收器試驗(yàn)系統(tǒng)57-59
• 2.5.2 相關(guān)材料物性參數(shù)59-62
• 2.6 小結(jié)62-63
• 第3章 空氣集熱接收器的試驗(yàn)研究63-77
• 3.1 引言63
• 3.2 空氣集熱接收器結(jié)構(gòu)63-65
• 3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析65-74
• 3.3.1 容積式空氣集熱接收器65-68
• 3.3.2 盤管空氣集熱接收器68-71
• 3.3.3 復(fù)合空氣集熱接收器71-73
• 3.3.4 效率對比73-74
• 3.4 小結(jié)74-77
• 第4章 太陽能集熱接收器的光路模擬77-94
• 4.1 引言77
• 4.2 不同結(jié)構(gòu)集熱接收器在太陽能模擬燈下的光路分析77-80
• 4.2.1 泡沫陶瓷集熱接收器77-78
• 4.2.2 盤管腔式集熱接收器78-79
• 4.2.3 復(fù)合式集熱接收器79-80
• 4.3 不同結(jié)構(gòu)集熱接收器在太陽能碟式聚光鏡下的光路分析80-92
• 4.3.1 碟式二次反射系統(tǒng)的聚焦光斑分析80-82
• 4.3.2 泡沫陶瓷集熱接收器在碟式二次反射系統(tǒng)下的光路分析82-85
• 4.3.3 盤管集熱接收器在碟式二次反射系統(tǒng)下的光路分析85-87
• 4.3.4 復(fù)合式集熱接收器在碟式二次反射系統(tǒng)下的光路分析87-88
• 4.3.5 集熱接收器初始偏斜一定角度時的光路分析88-92
• 4.4 小結(jié)92-94
• 第5章 空氣集熱接收器的傳熱數(shù)值模擬94-119
• 5.1 引言94
• 5.2 模型建立94-101
• 5.2.1 能量平衡模型94-97
• 5.2.2 能量守恒方程97-98
• 5.2.3 多孔介質(zhì)內(nèi)的氣固換熱模型98-100
• 5.2.4 模型邊界條件100
• 5.2.5 參數(shù)設(shè)定100-101
• 5.3 模擬結(jié)果分析101-112
• 5.3.1 流動方向?qū)療峤邮掌鲀?nèi)換熱效果的影響101-104
• 5.3.2 模擬結(jié)果與試驗(yàn)值對比104-105
• 5.3.3 空氣流量對集熱接收器內(nèi)換熱效果的的影響105-107
• 5.3.4 入射光強(qiáng)對集熱接收器內(nèi)換熱效果的影響107-110
• 5.3.5 多孔介質(zhì)孔密度對集熱接收器內(nèi)換熱效果的影響110
• 5.3.6 多孔介質(zhì)厚度對集熱接收器內(nèi)換熱效果的影響110-112
• 5.4 盤管集熱接收器的數(shù)值模擬112-113
• 5.5 熱損失分析113-116
• 5.5.1 不同結(jié)構(gòu)集熱接收器的熱損失對比分析113-114
• 5.5.2 復(fù)合式集熱接收器的熱損失分析114-116
• 5.6 小結(jié)116-119
• 第6章 陶瓷蓄熱特性研究119-140
• 6.1 引言119
• 6.2 太陽能蓄熱系統(tǒng)研究進(jìn)展119-125
• 6.2.1 蓄熱方式119-121
• 6.2.2 常見的太陽能固體顯熱蓄熱系統(tǒng)121-124
• 6.2.3 蓄熱計算模型124-125
• 6.3 蓄熱系統(tǒng)試驗(yàn)裝置125-130
• 6.3.1 空氣蓄熱試驗(yàn)裝置及系統(tǒng)125-127
• 6.3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析127-130
• 6.4 蓄熱系統(tǒng)數(shù)值模擬130-139
• 6.4.1 數(shù)值模型建立130-131
• 6.4.2 模擬與試驗(yàn)結(jié)果的對比分析131-133
• 6.4.3 模型預(yù)測133-139
• 6.5 小結(jié)139-140
• 第7章 系統(tǒng)分析140-151
• 7.1 引言140
• 7.2 太陽能高溫蓄熱發(fā)電系統(tǒng)140-143
• 7.2.1 系統(tǒng)設(shè)計140-141
• 7.2.2 效率計算141-143
• 7.3 太陽能-微型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)143-149
• 7.3.1 系統(tǒng)設(shè)計143-145
• 7.3.2 效率計算145-149
• 7.4 小結(jié)149-151
• 第8章 全文總結(jié)與展望151-155
• 8.1 全文總結(jié)151-154
• 8.2 本文主要創(chuàng)新點(diǎn)154
• 8.3 全文展望154-155
• 參考文獻(xiàn)155-163
• 作者簡歷163-164

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