碟式太陽能聚光系統(tǒng)的聚光與傳熱特性的研究

【摘要】：太陽能是地球上儲量最豐富的可再生清潔能源,發(fā)展太陽能作為替代能源具有廣闊的前景。目前,太陽能的發(fā)展主要集中于光伏發(fā)電和光熱利用,而無論對于哪種方式,采用聚光的方式對低密度的地表太陽輻射進行聚集都是必然的發(fā)展趨勢。碟式系統(tǒng)采用碟式聚光器進行聚光,具有極高的光能轉換效率,且在模塊化及分布式利用方面有著固有的優(yōu)勢。 碟式聚光系統(tǒng)既可應用于聚光光伏發(fā)電,也可應用于驅動熱機發(fā)電。碟式系統(tǒng)屬于點聚焦,其根本特征在于其極高的幾何聚光比,碟式接收器表面承受了非常高的聚焦輻射,設計不合理很容易產(chǎn)生局部高溫和巨大的熱應力,從而導致接收器被燒壞,因此了解接收器壁面的聚焦輻射能流分布非常重要。 立足目前碟式系統(tǒng)的技術難點所在,本文提出了一種光熱協(xié)同分析方法。在理論計算的基礎上,首先采用光學分析軟件ASAP進行光學傳遞過程建模,基于Monte-Carlo萬法,將太陽輻射離散為若干均勻分布的光線矢量,同時考慮太陽角直徑的影響,進行光線追跡分析,分別得到了平板和圓柱腔式接收器壁面的聚焦輻射能流分布。仿真結果表明,對于平板接收器,其焦斑從中心沿半徑方向輻射能流密度逐漸降低；對于圓柱腔式接收器,其腔體底面的輻射能流分布與平板類似,而側壁面的輻射能流分布沿進口方向先是逐漸增大,而后逐漸減小,中間存在一個理論上的輻射能流密度峰值。整體上看,圓柱腔式接收器壁面的輻射能流分布是非常不均勻的,尤其是在側壁面,本文還對鏡面邊緣角和腔體幾何尺寸兩個因素的影響作了分析。 應用光學分析部分算得的結果,本文對圓柱腔式接收器的傳熱特征進行了初步的分析,采用ANSYS對接收器的溫度場進行了模擬計算,模擬結果顯示腔體壁面的溫度分布是非常不均勻的,腔體內存在兩處高溫區(qū)域,一處位于腔體底面的中心位置,還有一處位于腔體側壁面,容易產(chǎn)生較大的熱應力,在以后的設計中須充分考慮。 針對碟式系統(tǒng)存在鏡面成本過高的問題,本文還在鏡面優(yōu)化方面做了嘗試,提出了采用球面反射鏡來代替現(xiàn)在廣泛使用的旋轉拋物鏡面。以幾何聚光比為直接指標,對球面反射鏡的聚光特性進行了分析,并與旋轉拋物面反射鏡進行了對比。球面可實現(xiàn)的幾何聚光比為500-2000,考慮到現(xiàn)有系統(tǒng)的需求以及合理聚光比的觀點,本文認為球面反射鏡可以滿足現(xiàn)有碟式系統(tǒng)的要求,本文還對球面反射鏡最佳焦面的能流分布特性進行了研究。 【關鍵詞】：太陽能 碟式 球面反射鏡 接收器 輻射能流分布
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TK512
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 主要符號表8-9
• 目錄9-11
• 1 緒論11-22
• 1.1 課題背景11
• 1.2 太陽能利用現(xiàn)狀11-15
• 1.2.1 太陽能利用方式11-14
• 1.2.2 光熱發(fā)電和光伏發(fā)電的對比14-15
• 1.3 聚光式太陽能技術15
• 1.4 碟式太陽能系統(tǒng)現(xiàn)狀15-21
• 1.4.1 碟式太陽能熱發(fā)電技術16-18
• 1.4.2 碟式太陽能聚光光伏技術18-20
• 1.4.3 碟式太陽能的技術難點20-21
• 1.5 本文主要研究內容21-22
• 2 碟式系統(tǒng)的聚光性能模擬22-40
• 2.1 碟式鏡面22
• 2.2 碟式接收器22-23
• 2.3 物理模型23-29
• 2.3.1 平板接收器的焦面能流密度23-27
• 2.3.2 圓柱腔式接收器的焦面能流密度27-29
• 2.4 光學仿真軟件及方法29-33
• 2.4.1 Monte Carlo方法30-31
• 2.4.2 ASAP光學設計軟件簡介31-33
• 2.5 仿真結果33-38
• 2.5.1 平板接收器的聚光特性33-35
• 2.5.2 圓柱腔式接收器的聚光特性35-38
• 2.6 本章小結38-40
• 3 球面反射鏡的聚光性能模擬40-49
• 3.1 引言40
• 3.2 球面反射鏡簡介40-41
• 3.3 球面鏡的光學聚焦性能仿真41-43
• 3.4 兩種反射鏡面性能的對比43-45
• 3.5 球面反射鏡對應的聚光光斑特性45-47
• 3.6 本章小結47-49
• 4 接收器的傳熱特性研究49-60
• 4.1 傳熱特征的一維理論分析49-51
• 4.2 系統(tǒng)的能量傳遞模型51-54
• 4.3 光-熱協(xié)同模擬方法54-55
• 4.4 模擬結果55-58
• 4.5 本章小結58-60
• 5 總結與展望60-63
• 5.1 全文總結60-61
• 5.2 展望61-63
• 參考文獻63-68
• 攻讀碩士學位期間科研成果68

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