聚光型太陽能管式空氣吸熱器原理與設計初步探索

【摘要】：隨著能源危機與環(huán)境危機的進一步加深,太陽能利用作為新能源利用中的重要組成部分在近年來得到了長足的進展。而且太陽能光熱發(fā)電所具有的生產全過程無污染并且不對環(huán)境造成危害的特點近年來被廣泛關注。其中槽式與塔式的太陽能示范電站都已成功建成發(fā)電。相比于這兩種光熱發(fā)電方式,太陽能空氣渦輪發(fā)電的形勢具有效率高,開始循環(huán)無需用水及安裝利用靈活的特點。由于這些優(yōu)點,太陽能空氣渦輪發(fā)電的光熱發(fā)電形式也開始受到廣泛關注。因而,為太陽能空氣渦輪提供熱能的太陽能空氣吸熱器的好壞成為了太陽能空氣渦輪系統(tǒng)發(fā)展的關鍵點。以太陽能空氣吸熱器為研究對象,本文對太陽管式空氣吸熱器進行了初步的研究與探索。 首先,本文簡要介紹了世界各國對太陽能光熱發(fā)電的投入與發(fā)展以及碟式太陽能空氣渦輪發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢。對比完幾種光熱發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)缺點后,闡述了太陽能空氣渦輪發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展中所存在的技術障礙。并論述了太陽能空氣吸熱器發(fā)展中需要解決的科學問題及技術難點。 其次,本文對吸熱器設計中的問題進行原理性討論與分析。給出了吸熱器設計過程中所用的設計方法。包括吸熱器換熱計算,壓力損失計算模型的確定。從吸熱管單面吸熱的特點分析了吸熱管在各個方向的導熱與對流換熱的換熱量級,假設了吸熱管的傳熱模型。為具體的吸熱管換熱傳熱計算鋪好道路。對吸熱器錐形底座進行了簡單的流場分析,得到了吸熱器錐形底座內空氣的流動特點。根據空氣在此處的流動特點假設了空氣在錐座中的換熱計算模型,同時假設了空氣在錐座中阻力計算的計算模型。最后,此部分還討論給出了吸熱器設計過程中應當遵循的原則。把吸熱器的熱效率、壓力損失以及吸熱器的加工制造成本放到一起進行考慮。最后得出吸熱器設計過程中應當遵循的原則。 再次,本文進行了一個具體的太陽能空氣吸熱器的設計。吸熱器的實驗臺是基于浙江華誼康迪斯安裝在寧夏回族自治區(qū)銀川市的一套總面積54.4平方米的全天候自動追蹤太陽時的碟式太陽能聚光系統(tǒng)。據此實驗臺的現(xiàn)有條件,設計完成一個給定太陽能輻射能30KW、進出口溫度差超過500℃、流量為0.05kg/s并且出口溫度與吸熱器內壁溫度最高溫差不超過400℃的太陽能管式空氣吸熱器。從吸熱器的換熱計算、壓力損失計算兩方面對吸熱器進行了設計,并且同時考慮吸熱器的加工難度與費用。除此之外,還對設計好的吸熱器進行了三維數值模擬,進行了簡要的三維流場分析,得到了較好的分析結果。 最后,本文以寧夏回族自治區(qū)銀川市的碟式太陽能聚光鏡為實驗平臺,對設計好的太陽能管式空氣吸熱器進行了實際性能測試。詳細介紹了本次實驗測試參數、測試方法；同時,詳細規(guī)劃了實驗臺各個部件的安裝與配合方式。實驗結果顯示,所設計吸熱器出口溫度最高達到了552℃,設計流量點的最高效率達到了88%,壓力損失低于3kPa吸熱器內壁對應552℃高溫情況下溫度852℃。各個吸熱管末尾溫度分布均勻一致顯示了各個吸熱管之間空氣流量也是均勻一致的。但由于加工問題,吸熱器錐形底座并沒有達到原來的設計要求,因而錐座的實驗結果也并不理想。 【關鍵詞】：碟式太陽能光熱發(fā)電 太陽能空氣吸熱器 太陽能空氣渦輪
【學位授予單位】：中國科學院研究生院（工程熱物理研究所）
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TM615
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目錄9-11
• 圖目錄11-14
• 表目錄14-15
• 1 緒論15-25
• 1.1 探索太陽能空氣吸熱器的背景與意義15-21
• 1.1.1 能源與環(huán)境危機15-16
• 1.1.2 尋求新能源——太陽能16
• 1.1.3 太陽能光熱光伏發(fā)電比較16-17
• 1.1.4 太陽能光熱發(fā)電17-20
• 1.1.5 聚光型碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)20-21
• 1.2 太陽能空氣吸熱器在系統(tǒng)中的關鍵地位21-22
• 1.3 國內外聚光型太陽能空氣吸熱器發(fā)展現(xiàn)狀22-25
• 1.3.1 聚光型太陽能空氣吸熱器主要技術障礙與待解決的科學問題23-25
• 2 太陽能管式空氣吸熱器設計基本原理與設計思路25-46
• 2.1 太陽能管式空氣吸熱器設計基本原理25-43
• 2.1.1 以空氣渦輪為動力機的碟式CSP的基本熱力系統(tǒng)分析25-26
• 2.1.2 吸熱器換熱與壓力損失分析26-43
• 2.2 太陽能管式空氣吸熱器設計思路43-46
• 2.2.1 科學問題層面43-44
• 2.2.2 技術層面44-45
• 2.2.3 設計思路45-46
• 3 太陽能管式空氣吸熱器設計與數值計算46-61
• 3.1 吸熱器設計計算程序與步驟47-51
• 3.1.1 吸熱器換熱與壓力損失計算程序47-49
• 3.1.2 吸熱器保溫層厚度計算49-50
• 3.1.3 吸熱器結構形式的設計及最終設計結果50-51
• 3.2 吸熱器數值計算51-59
• 3.2.1 流場分析51-53
• 3.2.2 速度場分析53-56
• 3.2.3 壓力場分析56-59
• 3.3 吸熱器吸熱管溫度場簡單分析59-61
• 3.3.1 質量流量0.05kg/s和O.1kg/s、壓力0.8MPa、30kW定功率加熱工況下吸熱器吸熱管溫度場分析59-60
• 3.3.2 質量流量0.05kg/s和0.1kg/s、壓力0.8MPa、873K定溫加熱工況下吸熱器吸熱管溫度場分析60-61
• 4 太陽能管式空氣吸熱器性能實驗61-83
• 4.1 實驗方案62-68
• 4.1.1 實驗目的62-63
• 4.1.2 實驗設備63-66
• 4.1.3 實驗內容66-68
• 4.2 數據采集68-69
• 4.3 實驗數據分析69-83
• 4.3.1 吸熱器溫度場與壓力損失分析69-75
• 4.3.2 吸熱器吸熱效率分析75-83
• 5 結論與展望83-85
• 5.1 結論83
• 5.2 展望83-85
• 參考文獻85-88
• 附錄188-89
• 致謝89

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