相變蓄熱對立式集熱板太陽能熱氣流系統(tǒng)運行性能的影響研究

【摘要】：傳統(tǒng)太陽能熱氣流電站由于其集熱棚直徑很大,只能建在人口稀少的荒漠化地區(qū),而且煙囪非常高,不易建造與保持穩(wěn)定。課題組在傳統(tǒng)太陽能熱氣流電站基礎(chǔ)上設(shè)計了一種立式集熱板太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng),該系統(tǒng)將集熱板與煙囪合為一體,依附在高層建筑物上建造,這一設(shè)計大大減小了原有太陽能熱氣流電站的占地面積,將技術(shù)簡單,清潔環(huán)保的太陽能熱氣流發(fā)電技術(shù)應(yīng)用在太陽能資源同樣豐富的城市中。由于太陽輻射的間斷性與不穩(wěn)定性,為了提高能源利用率,保證立式集熱板太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的連續(xù)運行,本文在系統(tǒng)中設(shè)置了以石蠟相變材料作為蓄熱材料的蓄熱層,研究了相變蓄熱對系統(tǒng)運行性能的影響,并研究了強化空氣與石蠟換熱的方式。 本文主要針對系統(tǒng)內(nèi)空氣流動與相變蓄熱的耦合情況進行了非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算研究,比較了系統(tǒng)有無相變蓄熱層時豎直煙囪流道內(nèi)空氣的最大流速和系統(tǒng)最大功率,分析了蓄熱層厚度對系統(tǒng)運行情況的影響。通過分析得出:系統(tǒng)內(nèi)空氣最大流速和系統(tǒng)最大功率隨時間的變化關(guān)系與太陽輻射量隨時間的變化關(guān)系相似,中午太陽輻射量達(dá)到最大值時,氣流速度和功率也達(dá)到最大值;包含蓄熱層的系統(tǒng)在夜間有0.79m/s的風(fēng)速,系統(tǒng)功率有1.3W左右,正午時系統(tǒng)的最大功率值比沒有蓄熱層時低,但是由于石蠟的儲能作用,使得該值隨天數(shù)增加不斷提高,并且夜間氣流速度也不斷增大,因此可得出蓄熱層能保證電站系統(tǒng)的連續(xù)運行;另外本文比較了兩種蓄熱層厚度對豎直煙囪流道內(nèi)空氣最大流速和系統(tǒng)最大功率的影響,通過研究表明,當(dāng)蓄熱層厚度為0.2m時,系統(tǒng)獲得的最大功率值略大,因此在本文的系統(tǒng)中可將蓄熱層的厚度設(shè)置為0.2m。 由于石蠟和空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較低,本文采用擴展表面的方法強化空氣與石蠟之間的換熱,設(shè)計了多種表面帶肋的蓄熱層,并對其蓄放熱能力進行了模擬和比較,結(jié)果表明:增加空氣與石蠟的換熱接觸面積,能夠有效強化二者之間的換熱;且當(dāng)蓄熱層表面帶有縱向矩形肋時,石蠟的蓄熱和放熱時間大大縮短,系統(tǒng)中空氣的流速得到了提高,從而保證了系統(tǒng)運行的連續(xù)性。另外本文利用數(shù)值模擬法分析了在石蠟相變材料中添加不同含量的納米粒子對其蓄放熱過程的影響,對納米粒子強化立式集熱板太陽能熱氣流系統(tǒng)中相變材料的蓄放熱能力進行了前瞻性的研究。 【關(guān)鍵詞】：太陽能 熱氣流電站 相變蓄熱 非穩(wěn)態(tài) 強化傳熱
【學(xué)位授予單位】：青島科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：TK514
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 1 緒論12-25
• 1.1 能源與環(huán)境現(xiàn)狀12-13
• 1.2 太陽能的利用13-16
• 1.2.1 我國太陽能資源分布13-14
• 1.2.2 太陽能的利用方式14-16
• 1.2.2.1 太陽能光熱利用14-15
• 1.2.2.2 太陽能光電利用15-16
• 1.3 太陽能熱氣流發(fā)電技術(shù)16-20
• 1.3.1 太陽能熱氣流發(fā)電技術(shù)的研究進展17-19
• 1.3.2 我國太陽能熱氣流發(fā)電技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀19
• 1.3.3 立式集熱板太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)19-20
• 1.4 相變材料及相變儲能技術(shù)20-23
• 1.4.1 相變材料的分類21-22
• 1.4.2 相變材料及相變儲能技術(shù)的研究進展22-23
• 1.5 課題的提出23-25
• 1.5.1 課題的研究內(nèi)容24
• 1.5.2 課題的研究意義24-25
• 2 相變蓄熱數(shù)值模擬方法的驗證25-34
• 2.1 相變材料傳熱理論25-27
• 2.1.1 相變問題的傳熱模型25-27
• 2.1.2 相變傳熱問題的求解方法27
• 2.2 FLUENT 軟件中的凝固/熔化模型27-29
• 2.3 數(shù)值模擬方法驗證29-33
• 2.4 本章小結(jié)33-34
• 3 相變蓄熱對立式集熱板太陽能熱氣流系統(tǒng)運行的影響34-53
• 3.1 蓄熱層相變材料的選擇34-36
• 3.2 系統(tǒng)物理模型的建立36-37
• 3.3 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立37-43
• 3.3.1 空氣區(qū)域的數(shù)學(xué)模型38-42
• 3.3.2 相變區(qū)域的數(shù)學(xué)模型42-43
• 3.4 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置及結(jié)果分析43-52
• 3.4.1 計算參數(shù)設(shè)置43-44
• 3.4.2 蓄熱層蓄放熱過程的模擬44-46
• 3.4.3 有無蓄熱層時系統(tǒng)運行狀態(tài)比較46-48
• 3.4.4 蓄熱層厚度不同時系統(tǒng)運行情況比較48-52
• 3.5 本章小結(jié)52-53
• 4 空氣與蓄熱層間的強化傳熱研究53-65
• 4.1 肋片強化傳熱的研究現(xiàn)狀53-54
• 4.2 帶肋蓄熱層的蓄放熱能力模擬54-62
• 4.2.1 蓄熱層熔化過程的模擬54-58
• 4.2.2 蓄熱層凝固過程的模擬58-61
• 4.2.3 最優(yōu)換熱表面的選擇61-62
• 4.3 帶肋蓄熱層與空氣的耦合模擬62-64
• 4.4 本章小結(jié)64-65
• 5 納米粒子強化石蠟蓄放熱研究65-72
• 5.1 提高石蠟導(dǎo)熱系數(shù)的研究進展65-67
• 5.2 納米粒子強化石蠟蓄放熱過程的模擬67-71
• 5.2.1 物理模型和材料參數(shù)計算67-68
• 5.2.2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析68-71
• 5.3 本章小結(jié)71-72
• 6 總結(jié)與展望72-75
• 6.1 主要結(jié)論與創(chuàng)新點72-73
• 6.1.1 主要結(jié)論72-73
• 6.1.2 創(chuàng)新點73
• 6.2 展望73-75
• 參考文獻(xiàn)75-81
• 致謝81-82
• 攻讀碩士學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文82-83

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