太陽能旋轉(zhuǎn)式高溫顆粒集熱特性的試驗研究與數(shù)值模擬

【摘要】：隨著能源需求日益增加和環(huán)境壓力日益加大,太陽能作為一種清潔的可再生能源,越來越受到人們重視。太陽能熱發(fā)電是一種具有蓄熱能力的太陽能利用方式,其輸出電力更為平穩(wěn)且品質(zhì)較高,最有希望在將來替代基礎(chǔ)電負(fù)荷。而其中太陽能碟式熱發(fā)電系統(tǒng)具有最高的聚光比和系統(tǒng)效率,但由于一般的碟式系統(tǒng)沒有蓄熱裝置,且存在聚光熱斑,給系統(tǒng)穩(wěn)定性和壽命帶來了嚴(yán)重影響。為了解決這些問題,開發(fā)一種不易受熱斑影響的、具有蓄熱能力的太陽能碟式高溫集熱方法成為關(guān)鍵。本文首先介紹了國內(nèi)外的太陽能發(fā)展規(guī)劃、利用方法和發(fā)展現(xiàn)狀,其中,固體顆粒集熱方法可以很好的解決熱斑問題,可以直接蓄熱,并且無嚴(yán)格的高溫高壓密封要求,成為了太陽能高溫集熱方法的選項之一。在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中,集熱接收器是將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能的關(guān)鍵部件,直接決定了整個系統(tǒng)的壽命和光熱轉(zhuǎn)換效率。本文通過建立兩種形式的旋轉(zhuǎn)顆粒集熱接收器試驗系統(tǒng),并配套搭建了太陽能模擬燈系統(tǒng),探索和掌握了聚光太陽輻射能流測量方法、測量了集熱過程中的顆粒特性,并探討了顆粒集熱的試驗方法,為后文研究顆粒集熱特性提供試驗基礎(chǔ)。采用基于蒙特卡洛光線追跡法,分別使平行光模擬燈光源與敞口集熱接收器相匹配,高聚光模擬燈光源與束口集熱接收器相匹配,進(jìn)行了兩種集熱接收器的光路模擬。模擬結(jié)果表明,敞口集熱接收器和束口集熱接收器的集光效率分別為-84%和-87%,顆粒層上的最高輻射能流密度分別達(dá)到44.7 kw/m。和232.3kW/m2。以光路模擬輸出結(jié)果作為傳熱模型的輸入條件,分別進(jìn)行了敞口集熱接收器穩(wěn)態(tài)傳熱計算和束口集熱接收器動態(tài)傳熱計算。通過耦合光路模擬和傳熱計算,建立了集熱接收器的光熱耦合模型,并應(yīng)用到了兩種集熱接收器,試驗結(jié)果很好的符合了各自的模擬結(jié)果,驗證了兩種光熱耦合模型的正確性。對于敞口集熱接收器而言,其適合聚光光斑直徑較大的聚光系統(tǒng),當(dāng)入射輻射能流從1050 W增加到1550 W時,顆粒單程循環(huán)溫升從200℃增加到300℃,熱效率從63%下降到了59%。模型預(yù)測隨著入射輻射能流增大到13,000 W,顆粒的單程循環(huán)溫升將達(dá)到1150℃,同時熱效率則持續(xù)下降到-34%。熱損分析表明,造成集熱接收器效率下降的最大原因是集熱接收器內(nèi)壁面對玻璃蓋板的輻射熱交換,以及玻璃蓋板對外界的熱損。提升其熱效率的主要方法是減小集熱接收器內(nèi)壁面對玻璃蓋板的角系數(shù)、玻璃蓋板背面涂遠(yuǎn)紅外波段反射膜和顆粒表面涂選擇性吸收膜。對于柬口集熱接收器而言,其更適用于聚光光斑直徑較小的聚光系統(tǒng)。當(dāng)入射輻射能流為5079 W時,出口處的顆粒被加熱到了-650℃,集熱接收器的熱效率為60.5%。熱損分析表明,振動盤面下面的冷卻裝置引起了過大的熱損,使效率下降。提升束口集熱接收器熱效率的主要方法是在集熱接收器振動盤面和電磁鐵裝置之間增厚隔熱層,集熱接收器的熱效率將保持在70%以上。將增厚了隔熱層的束口集熱接收器和3 m二次反射碟式鏡相結(jié)合,預(yù)測集熱接收器的集光效率和熱效率可以分別達(dá)到84.8%和76.9%,出口處顆粒溫度可以達(dá)到673℃,并設(shè)計了一個3m碟式顆粒集熱蓄熱系統(tǒng)。集熱接收器內(nèi)的溫度分布對進(jìn)一步提高集熱效率,防止局部過熱有著重要意義,本文提出了創(chuàng)新的熱格子玻爾茲曼(TLBE)的輻射邊界條件處理方法,解決了氣固接合面上的能流跳躍問題,將TLBE方法和蒙特卡洛方法(MC)相結(jié)合,建立了束口集熱接收器的三維TLBE-MC光熱耦合模型。通過模型比較,初步驗證了TLBE-MC模型的正確性。模型結(jié)果表明,顆粒進(jìn)入集熱接收器會先迅速上升到1400℃,然后向保溫錐形蓋板和玻璃蓋板傳遞熱量,逐漸降低到700℃。總的來說,本文以開發(fā)具有蓄熱能力的太陽能碟式高溫集熱方法為目標(biāo),提出了質(zhì)量流量穩(wěn)定可控、顆粒停留時間較長的高溫顆粒集熱方法,顆粒出口溫度達(dá)到了650℃,集熱接收器熱效率在60%以上,如果進(jìn)一步增厚隔熱層,集熱接收器的熱效率可以提升到70%以上。通過建立集熱接收器光熱耦合模型,探討了兩種形式的集熱接收器的光損和熱損,提出了改善集熱接收器性能的方法和措施?；诰哂幸浑A精度的熱格子玻爾茲曼輻射邊界條件處理方法,通過將熱格子玻爾茲曼方法和蒙特卡洛方法相結(jié)合,建立了集熱接收器的三維TLBE-MC光熱耦合模型,得到了集熱接收器內(nèi)的溫度分布、熱量交換過程和氣體流動分布,為今后進(jìn)一步的高溫?zé)崂眠^程提供了參考。 【關(guān)鍵詞】：太陽能高溫集熱 顆粒集熱接收器 碟式系統(tǒng) 蒙特卡洛光線追跡法 格子玻爾茲曼方法
【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
• Abstract9-21
• 符號表21-27
• 1 緒論及文獻(xiàn)綜述27-70
• 1.1 研究背景27-28
• 1.2 太陽能利用概論28-33
• 1.2.1 光電轉(zhuǎn)換30
• 1.2.2 光化學(xué)轉(zhuǎn)換30-31
• 1.2.3 光生物能轉(zhuǎn)換31
• 1.2.4 光熱轉(zhuǎn)換31-33
• 1.3 太陽能熱發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀33-41
• 1.4 太陽能集熱接收器研究進(jìn)展41-44
• 1.5 太陽能顆粒集熱接收器研究進(jìn)展44-57
• 1.5.1 幕簾式45-50
• 1.5.2 流化床式50-51
• 1.5.3 小顆粒吸熱腔51-53
• 1.5.4 管內(nèi)顆粒流式53-55
• 1.5.5 離心式集熱接收器55-56
• 1.5.6. 小結(jié)56-57
• 1.6 太陽能集熱接收器光熱耦合模型的研究進(jìn)展57-60
• 1.6.1 光路模擬研究進(jìn)展57-59
• 1.6.2 傳熱模型研究進(jìn)展59-60
• 1.7 格子玻爾茲曼方法介紹60-67
• 1.7.1 LBE方法60-63
• 1.7.2 TLBE方法63-67
• 1.8 本文研究體系與研究內(nèi)容67-70
• 2 試驗系統(tǒng)的搭建及試驗方法70-94
• 2.1 前言70
• 2.2 旋轉(zhuǎn)式顆粒集熱接收器系統(tǒng)70-76
• 2.2.1 敞口顆粒集熱接收器70-74
• 2.2.2 束口顆粒集熱接收器74-76
• 2.3 輻射能流測量系統(tǒng)76-80
• 2.3.1 直接輻射能流測量系統(tǒng)77
• 2.3.2 面域式輻射能流測量系統(tǒng)77-80
• 2.4 太陽模擬燈系統(tǒng)80-88
• 2.4.1 平行光模擬燈系統(tǒng)82-85
• 2.4.2 高聚光模擬燈系統(tǒng)85-88
• 2.5 顆粒特性分析88-90
• 2.6 試驗流程與方法90-92
• 2.7 本章小結(jié)92-94
• 3 旋轉(zhuǎn)式顆粒集熱接收器的光熱耦合模型94-117
• 3.1 前言94-95
• 3.2、顆粒集熱接收器光路模擬95-106
• 3.2.1 光源模型的建立95-100
• 3.2.2 集熱接收器光路模擬100-106
• 3.3 顆粒集熱接收器傳熱計算106-116
• 3.3.1 敞口集熱接收器穩(wěn)態(tài)傳熱計算107-110
• 3.3.2 束口.集熱接收器動態(tài)傳熱計算110-115
• 3.3.3 兩種集熱接收器傳熱計算模型比較115-116
• 3.4 本章小結(jié)116-117
• 4 旋轉(zhuǎn)式顆粒集熱接收器試驗與數(shù)值模擬討論及預(yù)測117-145
• 4.1 前言117
• 4.2 敞口顆粒集熱接收器結(jié)果討論及熱損分析117-125
• 4.2.1 試驗結(jié)果與試驗誤差分析117-120
• 4.2.2 模擬與試驗結(jié)果對比120-123
• 4.2.3 集熱接收器性能預(yù)測與熱損分析123-125
• 4.3 束口顆粒集熱接收器結(jié)果討論及熱損分析125-133
• 4.3.1 試驗結(jié)果與試驗誤差分析125-129
• 4.3.2 模擬與試驗結(jié)果對比以及熱損分析129-133
• 4.4 敞口與束口集熱接收器比較與改進(jìn)133-135
• 4.5 基于3m碟式鏡系統(tǒng)的顆粒集熱接收器性能預(yù)測135-140
• 4.6 3m碟式顆粒集熱蓄熱系統(tǒng)整體設(shè)計方案140-142
• 4.7 本章小結(jié)142-145
• 5 基于TLBE-MC方法的旋轉(zhuǎn)式顆粒集熱接收器光熱耦合模型研究145-176
• 5.1 前言145
• 5.2 氣固結(jié)合面的TLBE輻射邊界條件處理方法145-158
• 5.2.1 通用輻射邊界條件處理方法145-149
• 5.2.2 特殊情況下輻射邊界條件處理方法149-150
• 5.2.3 輻射邊界條件處理方法的驗證150-158
• 5.3 旋轉(zhuǎn)式顆粒集熱接收器三維TLBE-MC模型158-168
• 5.3.1 模型假設(shè)和簡化158-161
• 5.3.2 無量綱化161-165
• 5.3.3 模型的建立及邊界條件的處理165-168
• 5.4 模型結(jié)果與討論168-174
• 5.4.1 各類模型的比較168-169
• 5.4.2 集熱接收器升溫過程169-173
• 5.4.3 集熱接收器溫度平衡狀態(tài)173-174
• 5.5 本章小結(jié)174-176
• 6 全文總結(jié)與展望176-182
• 6.1 全文總結(jié)176-179
• 6.2 主要創(chuàng)新點(diǎn)179-180
• 6.3 工作展望180-182
• 附錄182-185
• 參考文獻(xiàn)185-194
• 作者簡歷194-195

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