菲涅爾太陽能集熱器集熱性能研究與熱遷移因子分析

【摘要】：菲涅爾太陽能集熱器主要分為菲涅爾透鏡太陽能集熱器和菲涅爾反射鏡太陽能集熱器，根據(jù)聚光方式的不同有點聚焦和線聚焦兩種形式。菲涅爾透鏡是透射式聚光系統(tǒng)的一種聚光元件，由帶尖劈的同心槽組成，尖劈角度由透鏡中心到透鏡邊緣逐步變化，以形成對入射到不同半徑處的入射太陽光線產(chǎn)生不同的折射偏角而實現(xiàn)光線匯聚，聚光光斑通過位于焦斑處的太陽能吸收器實現(xiàn)太陽能光熱轉換；菲涅爾反射鏡太陽能集熱器是指利用線聚焦反射鏡陣列將太陽光匯聚到位于焦點處固定的接收器，從而實現(xiàn)太陽能光熱轉換。菲涅爾太陽能集熱器在聚光光伏發(fā)電、中高溫太陽能熱利用、太陽能制冷空調(diào)和太陽能熱發(fā)電等領域具有廣泛的應用前景。本文針對菲涅爾聚光器的聚光特性，研究了與之相匹配的非真空的腔體吸收器，對采用不同結構腔體吸收器的菲涅爾太陽能集熱器進行了理論與實驗研究，具體工作如下： 首先，對采用腔體吸收器的聚光太陽能集熱器的光熱轉換過程進行熱力學分析，得出了在一定幾何聚光比、光學效率、大氣質量和大氣透明度等條件下聚光太陽能集熱器的優(yōu)化集熱溫度和腔體吸收器的吸熱效率。通過建立腔體吸收器的理論模型，利用熱力學第二定律得出了采用腔體吸收器的聚光太陽能集熱器完整的效率表達式，利用該表達式得出的效率值能夠反映出此類聚光太陽能集熱器的集熱性能，同時可以對腔體吸收器進行優(yōu)化，在高倍聚光條件下實現(xiàn)高效太陽能光熱轉換。對于采用腔體吸收器的線聚焦太陽能集熱器，在理論最大幾何聚光比條件下，其最優(yōu)的集熱溫度約為775K，效率約為0.50；對于采用腔體吸收器的點聚焦太陽能集熱器，在理論最大幾何聚光比條件下，其理論上最優(yōu)的集熱溫度約為2500K，效率約為0.84。 其次，對菲涅爾太陽能集熱器的光學性能進行理論研究，導出了菲涅爾透鏡和菲涅爾反射鏡幾何聚光比的理論表達式。建立了采用八種點聚焦腔體吸收器和八種線聚焦腔體吸收器的菲涅爾太陽能集熱器的理論模型，通過仿真表明：對于點聚焦菲涅爾透鏡太陽能集熱器，當點聚焦菲涅爾透鏡的尺寸為1000mm×1000mm×3mm，吸收器開口直徑為60mm時，圓錐體型腔體吸收器（頂角60°）具有最好的光學性能，其理論光學效率為89.95%，光學聚光比為318.12；對于線聚焦菲涅爾透鏡太陽能集熱器，當線聚焦菲涅爾透鏡的尺寸為400mm×320mm×2mm，吸收器開口寬度為80mm時，三角形腔體吸收器（頂角60°）具有最好的光學性能，其理論光學效率為81.15%，光學聚光比為4.06；對于線聚焦菲涅爾反射鏡太陽能集熱器，當單排菲涅爾反射鏡的尺寸為6000mm×300mm×2mm，吸收器開口寬度為60mm時，圓弧形腔體吸收器具有最好的光學性能，其理論光學效率為81.67%，光學聚光比為32.67，但三角形腔體吸收器內(nèi)部的能量分布比圓弧形腔體吸收器內(nèi)部的能量分布均勻，且三角形腔體吸收器內(nèi)壁面的能量密度要高于圓弧形腔體吸收器和其它形式的線聚焦腔體吸收器，因此，采用三角形腔體吸收器的線聚焦菲涅爾反射鏡太陽能集熱器具有較好的熱性能。此外，還對菲涅爾太陽能集熱器的光偏特性進行了分析，結果表明：對于采用圓錐體型腔體吸收器的菲涅尓透鏡太陽能集熱器，其跟蹤誤差應該控制在±1.8°之內(nèi)；對于采用三角形腔體吸收器的菲涅尓透鏡太陽能集熱器，其跟蹤誤差應該控制在±4.5°之內(nèi)；對于采用三角形腔體吸收器的菲涅尓反射鏡太陽能集熱器，其跟蹤誤差應該控制在±8.0°之內(nèi)，這樣才能保證上述三種菲涅爾太陽能集熱器的焦斑能夠落在腔體吸收器之內(nèi)。 第三，分別搭建了菲涅爾透鏡太陽能集熱器和菲涅爾反射鏡太陽能集熱器的實驗裝置，對菲涅爾太陽能集熱器的集熱性能進行了實驗測試，得到了菲涅爾太陽能集熱器的空曬性能參數(shù)、瞬時效率曲線和總熱損失系數(shù)，研究結果表明，對于點聚焦菲涅爾透鏡太陽能集熱器，采用圓錐體型腔體吸收器，集熱器的空曬性能參數(shù)約為0.55(m~2·K)/W。對于采用圓錐體型腔體吸收器的點聚焦菲涅爾透鏡太陽能集熱器，集熱溫度最高可達250℃，光熱轉換效率約為35.40%，總熱損失系數(shù)約為255W/(m~2·K)。對于線聚焦菲涅爾透鏡太陽能集熱器，采用三角形腔體吸收器，集熱器的空曬性能參數(shù)約為0.33(m~2·K)/W。對于采用三角形腔體吸收器的線聚焦菲涅爾透鏡太陽能集熱器，集熱溫度最高可達180℃，光熱轉換效率約為28.70%，總熱損失系數(shù)約為50W/(m~2·K)。對于線聚焦菲涅爾反射鏡太陽能集熱器，采用管束三角形腔體吸收器，其空曬性能參數(shù)約為0.36(m~2·K)/W，當集熱溫度為90℃時，集熱器的光熱轉換效率約為45.20%，總熱損失系數(shù)為8W/(m~2·K)；集熱溫度為120℃時，集熱器的光熱轉換效率約為40.10%，總熱損失系數(shù)約為12W/(m~2K)；當集熱溫度為150℃時，集熱器的光熱轉換效率約為36.60%，總熱損失系數(shù)約為17W/(m~2·K)。與采用三角形腔體吸收器的線聚焦菲涅爾透鏡太陽能集熱器的總熱損失系數(shù)相比，在相同的集熱溫度范圍內(nèi)，采用管束三角形腔體吸收器的線聚焦菲涅爾反射鏡太陽能集熱器的總熱損失系數(shù)較小，這主要是因為前者的吸收器開口朝上，對流損失較大，后者的吸收器開口朝下，有利于抑制對流熱損失，因此總熱損失系數(shù)較小。在給定條件下，這三種菲涅爾太陽能集熱器的集熱性能已經(jīng)超過真空管式太陽能集熱器，只要控制好熱損失，其集熱性能還有較大的提升空間。 最后，在理論分析和實驗研究的基礎上，導出了采用腔體吸收器菲涅爾太陽能集熱器的熱遷移因子理論表達式，并對采用八種點聚焦腔體吸收器，八種線聚焦腔體吸收器和三種改進的線聚焦三角形腔體吸收器的菲涅爾太陽能集熱器的熱性能進行了對比分析。優(yōu)化分析的結果表明，對于采用圓錐體型腔體吸收器的菲涅爾透鏡太陽能集熱器，存在最優(yōu)的腔體開口直徑、吸收管內(nèi)徑和腔體頂角，在本文的研究條件下，分別為80mm，15mm和60°，為了獲得更好的熱性能，其幾何聚光比應大于等于500，吸收管與傳熱流體的對流換熱系數(shù)應大于1200W/(m~2·K)，總熱損失系數(shù)應小于100W/(m~2·K)；對于采用三角形腔體吸收器的菲涅爾透鏡太陽能集熱器，存在最優(yōu)的腔體開口寬度、吸收管內(nèi)徑和腔體頂角，分別為50mm，18mm和60°，為了獲得更好的熱性能，其肋片效率應大于0.80，幾何聚光比應大于等于55，吸收管與傳熱流體的對流換熱系數(shù)應大于600W/(m~2·K)，總熱損失系數(shù)應小于25W/(m~2·K)?；趦?yōu)化結果，提出了采用三種改進的線聚焦三角形腔體吸收器的菲涅爾透鏡太陽能集熱器，并進行了理論與實驗研究，結果表明，采用方管結構的三角形腔體吸收器，其效率因子和熱遷移因子的實驗相對優(yōu)化率分別為7.21%和6.67%；采用管束結構的三角形腔體吸收器，其效率因子和熱遷移因子的實驗相對優(yōu)化率分別為5.89%和5.95%；采用一體化管板結構的三角形腔體吸收器，其效率因子和熱遷移因子的實驗相對優(yōu)化率分別為8.41%和7.89%。因此，在系統(tǒng)運行壓力不太高的情況下（如低于0.20MPa），可以采用方管結構的三角形腔體吸收器；當系統(tǒng)運行壓力較高的情況下（如大于0.30MPa），可以采用管束結構的三角形腔體吸收器或者采用一體化管板結構的三角形腔體吸收器，從而提升系統(tǒng)的集熱性能，滿足中高溫太陽能光熱轉換應用的要求。 【關鍵詞】：腔體吸收器 菲涅爾透鏡 菲涅爾反射鏡 太陽能 熱遷移因子
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TK513.1
【目錄】：

• 摘要6-9
• ABSTRACT9-15
• 第一章 緒論15-29
• 1.1 研究背景及意義15-17
• 1.2 菲涅爾太陽能集熱器的研究與應用現(xiàn)狀17-26
• 1.2.1 菲涅爾透鏡太陽能集熱器17-24
• 1.2.2 菲涅爾反射鏡太陽能集熱器24-26
• 1.3 對以往研究工作的總結26
• 1.4 本文的主要研究工作26-28
• 與本章工作相關的主要研究成果28-29
• 第二章 采用腔體吸收器的聚光太陽能集熱器光熱轉換過程熱力學分析29-39
• 2.1 采用腔體吸收器的聚光太陽能集熱器構成及其工作原理29-30
• 2.2 采用腔體吸收器的聚光太陽能集熱器集熱過程熱力學分析30-37
• 2.3 本章小結37-38
• 與本章工作相關的主要研究成果38-39
• 第三章 菲涅爾太陽能集熱器的光學性能分析39-78
• 3.1 菲涅爾透鏡太陽能集熱器的光學性能39-57
• 3.1.1 點聚焦菲涅爾透鏡太陽能集熱器44-50
• 3.1.2 線聚焦菲涅爾透鏡太陽能集熱器50-57
• 3.2 菲涅爾反射鏡太陽能集熱器的光學性能57-65
• 3.3 腔體吸收器頂角改變對菲涅爾太陽能集熱器光學性能的影響65-66
• 3.4 菲涅爾太陽能集熱器的光偏特性分析66-76
• 3.4.1 采用圓錐體型腔體吸收器的菲涅爾透鏡太陽能集熱器的光偏特性67-70
• 3.4.2 采用三角形腔體吸收器的菲涅爾透鏡太陽能集熱器的光偏特性70-73
• 3.4.3 采用三角形腔體吸收器的菲涅爾反射鏡太陽能集熱器的光偏特性73-76
• 3.5 本章小結76-77
• 與本章工作相關的主要研究成果77-78
• 第四章 點聚焦菲涅爾太陽能集熱器的實驗研究78-94
• 4.1 點聚焦菲涅爾透鏡太陽能集熱器的構建78-82
• 4.2 點聚焦菲涅爾太陽能集熱器的集熱性能分析82-84
• 4.3 點聚焦菲涅爾太陽能集熱器集熱性能的實驗研究84-93
• 4.3.1 空曬性能參數(shù)的測定85-87
• 4.3.2 瞬時效率曲線的測定87-92
• 4.3.3 總熱損失系數(shù)的測定92-93
• 4.4 本章小結93
• 與本章工作相關的主要研究成果93-94
• 第五章 線聚焦菲涅爾太陽能集熱器的實驗研究94-114
• 5.1 線聚焦菲涅爾透鏡太陽能集熱器的構建94-97
• 5.2 線聚焦菲涅爾透鏡太陽能集熱器的集熱性能分析97-98
• 5.3 線聚焦菲涅爾透鏡太陽能集熱器集熱性能的實驗研究98-105
• 5.3.1 空曬性能參數(shù)的測定98-100
• 5.3.2 瞬時效率曲線的測定100-104
• 5.3.3 總熱損失系數(shù)的測定104-105
• 5.4 線聚焦菲涅爾反射鏡太陽能集熱器的實驗研究105-113
• 5.4.1 空曬性能參數(shù)的測定108-109
• 5.4.2 瞬時效率曲線的測定109-111
• 5.4.3 總熱損失系數(shù)的測定111-113
• 5.5 本章小結113
• 與本章工作相關的主要研究成果113-114
• 第六章 采用腔體吸收器的菲涅爾太陽能集熱器熱遷移因子理論分析與優(yōu)化114-147
• 6.1 聚光型太陽能集熱器的效率因子和熱遷移因子114-115
• 6.2 點聚焦式腔體吸收器115-127
• 6.2.1 點聚焦腔體吸收器的比較120-123
• 6.2.2 點聚焦腔體吸收器的優(yōu)化123-127
• 6.3 線聚焦式腔體吸收器127-145
• 6.3.1 線聚焦腔體吸收器的比較133-136
• 6.3.2 線聚焦腔體吸收器的優(yōu)化136-145
• 6.4 本章小結145-146
• 與本章工作相關的主要研究成果146-147
• 第七章 總結與展望147-152
• 7.1 研究總結147-150
• 7.2 創(chuàng)新點150
• 7.3 工作展望150-152
• 參考文獻152-165
• 附錄一 符號與標記165-168
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文168-170
• 攻讀博士學位期間參與的科研項目170-171
• 致謝171-172

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