線性菲涅爾反射式太陽能集熱系統(tǒng)研究

【摘要】：太陽能是取之不盡、用之不竭的環(huán)保新能源,是世界應(yīng)對能源危機的最佳解決方案之一。我國目前在太陽能低溫(100℃以下)應(yīng)用(太陽能熱水器)方面取得了巨大的成功,但對太陽能中高溫?zé)崂?100-300℃)的研究還很少,廣大工業(yè)過程亟需環(huán)保、價廉的中高溫?zé)嵩?。線性菲涅爾反射式(Linear Fresnel Reflector, LFR)太陽能中高溫集熱系統(tǒng),使用平面反射鏡,易于制造、價格低廉,與其它聚焦太陽能系統(tǒng)相比具有顯著優(yōu)勢,得到了世界各國的高度重視和普遍關(guān)注。 目前,線性菲涅爾反射式集熱系統(tǒng)普遍存在遮擋和陰影問題,造成系統(tǒng)利用效率低,必須研究菲涅爾系統(tǒng)的優(yōu)化布置形式以削弱該問題的影響。另一方面,在太陽能集熱系統(tǒng)中涉及到輻射-導(dǎo)熱-對流耦合傳熱,要實現(xiàn)整個能量傳遞環(huán)節(jié)在最優(yōu)工況下運行,必須研究高熱流密度條件下傳熱工質(zhì)的換熱規(guī)律,探索接收器內(nèi)強化傳熱的方法。有關(guān)這方面的研究已成為太陽能中高溫領(lǐng)域的前沿課題之 一,具有十分重要的學(xué)術(shù)研究意義和非常廣闊的應(yīng)用前景。 本文首先研究了將平面反射鏡場與復(fù)合拋物聚光器(Compound Parabolic Collector, CPC)耦合考慮的新型菲涅爾反射聚光系統(tǒng),探索解決線性菲涅爾系統(tǒng)陰影和遮擋問題的方法。給出了CPC的設(shè)計原理和優(yōu)化途徑；分析推導(dǎo)了確定集熱系統(tǒng)接收器高度、鏡場范圍和反射鏡間距等重要參數(shù)的布置公式；計算出了每面反射鏡的最佳初始偏角,建立了反射鏡場布置和二次聚光器結(jié)構(gòu)設(shè)計綜合優(yōu)化理論與模型。并根據(jù)理論分析,設(shè)計計算了一個典型的1kW菲涅爾反射集熱系統(tǒng),給出了鏡場布置的關(guān)鍵參數(shù),并利用TracePro光學(xué)模擬軟件,采用蒙特卡羅光線跟蹤法,建立了所設(shè)計的1kW菲涅爾反射系統(tǒng)的光學(xué)模型,研究了在不同太陽光線入射角的情況下,菲涅爾系統(tǒng)的鏡場布置和光學(xué)性能。 其次,根據(jù)熱力學(xué)第一定律,對反射式線性菲涅爾單管CPC腔型集熱器的集熱性能開展了理論研究。針對該系統(tǒng)建立了穩(wěn)態(tài)模型,利用輻射熱網(wǎng)絡(luò)法和傳熱熱阻原理,研究了CPC腔型集熱器內(nèi)的輻射傳熱和熱損失分布情況,計算了該集熱器的集熱性能。模擬分析表明：在計算條件下,CPC腔型集熱器最大集熱效率約為0.65,在太陽能集熱高溫段有著明顯的優(yōu)勢：增加接收器的長度能夠很好地提高集熱溫度；通過玻璃蓋層的傳熱是系統(tǒng)熱損失的主要環(huán)節(jié)；集熱器光學(xué)參數(shù)對集熱性能的影響較大,應(yīng)努力提高玻璃蓋層的透過率和CPC腔體內(nèi)壁的反射率并降低保溫層外壁的發(fā)射率來減小總熱損系數(shù),提高集熱器的熱性能。另外,運用MATLAB/GUI圖形界面設(shè)計工具來研究開發(fā)了一種CPC腔型集熱器熱性能分析軟件,用戶可以通過改變集熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)來研究系統(tǒng)性能的相應(yīng)變化,該軟件提供了一個可供反復(fù)使用且操作簡單的集熱器熱分析工具。 最后,基于上述理論優(yōu)化分析,搭建了典型1kW線性菲涅爾反射式中高溫集熱系統(tǒng),通過實驗來驗證其實際性能。本文測試了該集熱系統(tǒng)的熱損失性能、空曬性能參數(shù)、CPC腔溫度分布和集熱效率等關(guān)鍵參數(shù)。實驗結(jié)果顯示,該集熱器的平均熱損失系數(shù)UL約等于0.63 W/(m2·℃),表明本實驗裝置有著良好的保溫性能；在實驗條件下,菲涅爾反射式集熱系統(tǒng)的空曬溫度達(dá)到270℃,其空曬性能參數(shù)Ys約為0.52℃.m2/W;CPC腔體內(nèi)的溫度變化趨勢一致,但其分布是不均勻的,中間位置的溫度最高,兩端和邊緣位置的溫度最低；該菲涅爾集熱系統(tǒng)擬合效率曲線為η=0.618-0.00125(T1-Ta)。實驗結(jié)果表明,所設(shè)計的線性菲涅爾反射式中高溫集熱系統(tǒng)有著較優(yōu)的集熱性能。 【關(guān)鍵詞】：太陽能 線性菲涅爾反射 中高溫集熱 鏡場布置 集熱性能
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：TK513
【目錄】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 重要符號說明12-13
• 第1章 緒論13-21
• 1.1 課題研究背景和意義13-16
• 1.2 課題研究現(xiàn)狀及存在的問題16-19
• 1.3 本文的主要研究內(nèi)容19-21
• 第2章 線性菲涅爾反射式集熱系統(tǒng)光學(xué)性能分析21-40
• 2.1 CPC復(fù)合接收器21-25
• 2.1.1 CPC復(fù)合接收器原理21-23
• 2.1.2 CPC復(fù)合接收器的數(shù)學(xué)分析23-25
• 2.2 線性菲涅爾反射式集熱鏡場優(yōu)化布置原理25-33
• 2.2.1 線性菲涅爾反射式集熱鏡場范圍的確定25-29
• 2.2.2 線性菲涅爾反射式集熱鏡場最佳初始角的確定29-31
• 2.2.3 1kW線性菲涅爾反射式集熱系統(tǒng)設(shè)計31-33
• 2.3 TracePro軟件光學(xué)模擬33-39
• 2.3.1 蒙特卡羅光線追蹤法34-35
• 2.3.2 線性菲涅爾反射式集熱系統(tǒng)光學(xué)模擬35-39
• 2.4 本章小結(jié)39-40
• 第3章 線性菲涅爾反射式腔型集熱器熱性能分析40-56
• 3.1 CPC腔型集熱器穩(wěn)態(tài)傳熱模型建立41-45
• 3.1.1 腔型集熱器物理模型41-42
• 3.1.2 腔型集熱器傳熱過程數(shù)學(xué)模型42-45
• 3.2 CPC腔型集熱器計算結(jié)果與分析45-50
• 3.2.1 CPC腔型集熱器集熱效率對比45-47
• 3.2.2 CPC腔型集熱器沿管長的溫度分布47-48
• 3.2.3 CPC腔型集熱器的熱損失分布48
• 3.2.4 CPC腔型集熱器光學(xué)參數(shù)對集熱性能的影響48-50
• 3.3 基于MATLAB圖形界面的集熱器熱性能分析軟件設(shè)計50-55
• 3.3.1 MATLAB介紹50-51
• 3.3.2 MATLAB/GUI圖形用戶界面設(shè)計工具51-53
• 3.3.3 CPC腔型集熱器熱性能分析軟件設(shè)計53-55
• 3.4 本章小結(jié)55-56
• 第4章 線性菲涅爾反射式中高溫集熱系統(tǒng)實驗研究56-71
• 4.1 線性菲涅爾反射式CPC腔型集熱系統(tǒng)簡介56-57
• 4.2 線性菲涅爾反射式中高溫集熱測試系統(tǒng)57-60
• 4.3 線性菲涅爾反射式集熱系統(tǒng)熱性能實驗研究60-70
• 4.3.1 集熱系統(tǒng)熱損失性能實驗60-61
• 4.3.2 集熱系統(tǒng)空曬性能參數(shù)61-63
• 4.3.3 CPC腔體集熱器溫度分布63-66
• 4.3.4 集熱系統(tǒng)熱效率實驗66-70
• 4.4 本章小結(jié)70-71
• 第5章 總結(jié)及展望71-74
• 5.1 總結(jié)71-72
• 5.2 工作展望72-74
• 參考文獻(xiàn)74-78
• 致謝78-79
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄79-80
• 攻讀學(xué)位期間參與的項目80-81

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