槽式聚光太陽能系統(tǒng)光熱能量轉(zhuǎn)換利用理論與實驗研究

【摘要】：線聚焦太陽能集熱器是規(guī)模化太陽能中高溫利用的主要技術(shù)。而拋物槽式太陽能集熱器（PTC）由于在中高溫利用中具有較高的光熱轉(zhuǎn)換效和在規(guī)?；瘧?yīng)用中具有很好的經(jīng)濟優(yōu)勢，被廣泛地應(yīng)用于太陽能熱發(fā)電、太陽能空調(diào)及制冷、太陽能海水淡化、太陽能中溫制氫等領(lǐng)域。然而，在實際應(yīng)用中，從聚光集熱（光熱轉(zhuǎn)換）到用熱過程，往往需要經(jīng)過多個能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，每一個環(huán)節(jié)都不可避免地存在熱能損失。因此，要實現(xiàn)高效集熱和用熱的目的，就必須盡可能地減小每個環(huán)節(jié)的能量損失。另外，系統(tǒng)的初始投入成本也是一個必須考慮的問題。但是，要實現(xiàn)低成本和高效集熱利用，目前的槽式太陽能系統(tǒng)在其聚光器、吸收器、跟蹤控制器、整體系統(tǒng)的布置安裝等方面仍然存在諸多關(guān)鍵問題需要解決。本文主要圍繞如何提高槽式太陽能系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換效率和熱利用率這一關(guān)鍵問題展開研究。主要研究工作包括以下幾個方面。 （1）對槽式聚光集熱器光熱轉(zhuǎn)換過程的基礎(chǔ)理論及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了概括。對線聚焦集熱管的熱性能進(jìn)行了理論分析；設(shè)計了一種全玻璃真空隔熱的集熱管，并對其光熱性能進(jìn)行了理論分析和測量實驗。實驗結(jié)果顯示，這種集熱管的集熱效率相當(dāng)于玻璃-金屬真空集熱管的90～93%，與腔體集熱管的效率相當(dāng)。 （2）提出了一種計算PTC焦線能流密度分布的方法，并利用Origin軟件對采用柱面接收器、V形腔體接收器和平面接收器的PTC系統(tǒng)的焦線能流密度分布進(jìn)行了計算。根據(jù)能流密度的分布規(guī)律和所采用的接收器類型，對PTC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化問題進(jìn)行了研究分析。 （3）對拋物槽式太陽能集熱器的余弦損失效應(yīng)和末端損失效應(yīng)進(jìn)行了理論分析和實驗研究。建立了任意向、任意傾角PTC的末端損失效應(yīng)、余弦損失效應(yīng)的一般理論模型，提出了采用加長集熱管、設(shè)置末端平面鏡來削弱和補償末端損失的方法措施，對不同方法的適用條件進(jìn)行分析和討論，并通過實驗驗證了各種補償方法的可行性；建立了任意向、任意傾角PTC的光學(xué)效率的理論模型，通過對理論計算的分析討論和實驗研究，給出最佳安裝方位和安裝傾角的范圍。 （4）對槽式太陽能系統(tǒng)的跟蹤模式以及跟蹤控制設(shè)計的相關(guān)問題進(jìn)行了分析研究。設(shè)計了具有快速-粗略和慢速-精確跟蹤模式的跟蹤控制系統(tǒng)。提出了一種間接測量跟蹤精度的方法，并進(jìn)行了跟蹤精度的實測實驗。對聚光器的定向偏差對系統(tǒng)集熱效率的影響進(jìn)行了實驗研究。結(jié)果表明，PTC系統(tǒng)的指向偏差在0.40°的范圍內(nèi)，其集熱效率變化不大。對于采用光電傳感器的跟蹤控制方式，給出了太陽位置傳感器的正確安裝方式。對槽式集熱器的旋轉(zhuǎn)角行程（即轉(zhuǎn)軸的最大旋轉(zhuǎn)角度）對PTC在全天集熱量的影響進(jìn)行了研究。 （5）基于幾何光學(xué)原理，對PTC陣列的遮擋幾何模型及陣列排布進(jìn)行了分析研究。建立了任意軸向PTC陣列（單軸跟蹤）的遮擋模型。在綜合考慮太陽直輻射日變化和光場輻射能的利用率的基礎(chǔ)上，通過實例的理論計算，給出了不同軸向PTC陣列的最小安裝距離（相鄰PTC單元之間的距離）的參考值。結(jié)果顯示，對于由開口寬度w=3m，長度L=20m的集熱單元組成的PTC陣列，在緯度φ=25.01°的地區(qū)，任意向PTC陣列的最小安裝距離可以選擇在4.5～5.0m的范圍。 （6）對基于槽式太陽能集熱器驅(qū)動的單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的性能進(jìn)行了實驗研究。主要測試了PTC系統(tǒng)的集熱效率和單效溴化鋰吸收式制冷機組的制冷系數(shù)，并對系統(tǒng)在供暖模式下的供暖性能進(jìn)行了測試和分析。根據(jù)對系統(tǒng)存在的問題和不足，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，探求實現(xiàn)系統(tǒng)高效集熱和高效用熱的途徑和方式。研究結(jié)果顯示：在太陽直輻射在0.40～0.90kW/m2的范圍，系統(tǒng)的瞬時熱效率在0.42～0.55之間，系統(tǒng)瞬時功率在9～21kW的范圍；制冷機組的平均制冷系數(shù)在0.18～0.60之間，系統(tǒng)的制冷系數(shù)（COP）約在0.12～0.27的范圍。 【關(guān)鍵詞】：槽式太陽能集熱器 光學(xué)分析 熱效率 溴化鋰吸收式制冷 應(yīng)用研究 系統(tǒng)優(yōu)化
【學(xué)位授予單位】：云南師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：S214
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 緒論13-28
• 1.1 課題研究的背景13-16
• 1.2 太陽能利用的方式和途徑16
• 1.3 槽式聚光太陽能集熱器的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀16-23
• 1.4 槽式太陽能系統(tǒng)光熱轉(zhuǎn)換利用過程中存在的問題23-24
• 1.5 本文的主要研究工作24-28
• 第二章 槽式聚光太陽能光熱轉(zhuǎn)換理論與技術(shù)基礎(chǔ)28-54
• 2.1 太陽能光熱轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)28-31
• 2.1.1 光譜的等效溫度28-29
• 2.1.2 光譜的有效能29-30
• 2.1.3 光熱轉(zhuǎn)換分析30-31
• 2.2 拋物槽式聚光太陽能集熱器31-37
• 2.2.1 拋物槽式聚光器的聚光比31-33
• 2.2.2 聚光比與集熱溫度33-34
• 2.2.3 聚光集熱器的光學(xué)性能34-36
• 2.2.4 聚光集熱器的熱性能分析36-37
• 2.3 集熱管的設(shè)計及其熱性能研究37-53
• 2.3.1 腔體熱集熱管的設(shè)計及其性能37-39
• 2.3.2 全玻璃真空隔熱集熱管的設(shè)計及其性能39-43
• 2.3.3 集熱管的熱性能實驗43-53
• 2.4 本章小結(jié)53-54
• 第三章 拋物槽式太陽能聚光器焦面能流分布與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化54-84
• 3.1 焦面能流密度分布的計算54-72
• 3.1.1 入射光線在接收器上的入射點坐標(biāo)54-59
• 3.1.2 關(guān)于日盤的亮度分布模型59-63
• 3.1.3 利用 Origin 軟件計算能流密度的方法和步驟63-65
• 3.1.4 計算結(jié)果65-72
• 3.2 焦面能流密度的實測實驗72-75
• 3.2.1 實測原理72-73
• 3.2.2 實測結(jié)果73-74
• 3.2.3 實測結(jié)果分析74-75
• 3.3 PTC 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化分析75-82
• 3.3.1 集熱管的安裝高度75-77
• 3.3.2 邊緣角的選擇問題77-80
• 3.3.3 圓柱形接收器的最小半徑80-81
• 3.3.4 腔體接收面的寬度問題81-82
• 3.3.5 復(fù)合槽型聚光器的優(yōu)化設(shè)計82
• 3.4 本章小結(jié)82-84
• 第四章 槽式太陽能集熱系統(tǒng)的余弦損失效應(yīng)及84-123
• 4.1 PTC 的余弦損失效應(yīng)及末端損失效應(yīng)84-93
• 4.1.1 余弦損失效應(yīng)和末端損失效應(yīng)的光學(xué)分析84-87
• 4.1.2 入射角計算公式的推導(dǎo)87-89
• 4.1.3 末端損失率與有關(guān)參量的變化關(guān)系89-93
• 4.2 余弦損失效應(yīng)和末端損失效應(yīng)的補償方法93-105
• 4.2.1 傾斜法93-97
• 4.2.2 加長吸熱管法97-99
• 4.2.3 設(shè)置末端平面鏡法99-105
• 4.3 PTC 軸向與光學(xué)效率的關(guān)系105-108
• 4.3.1 光學(xué)分析105-106
• 4.3.2 理論計算與分析106-108
• 4.3.3 典型氣象數(shù)據(jù)的計算分析108
• 4.4 實驗研究108-122
• 4.4.1 實驗系統(tǒng)108-109
• 4.4.2 余弦損失和末端損失補償實驗109-120
• 4.4.3 PTC 軸向與熱學(xué)效率的測量實驗120-122
• 4.5 本章小結(jié)122-123
• 第五章 槽式太陽能集熱器的跟蹤控制設(shè)計方法研究123-141
• 5.1 跟蹤方式概述123-124
• 5.2 一維太陽能跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計124-129
• 5.2.1 跟蹤控制策略124-125
• 5.2.2 跟蹤控制器的設(shè)計125-127
• 5.2.3 傳感器的設(shè)計127-128
• 5.2.4 減速機構(gòu)的設(shè)計128-129
• 5.3 相關(guān)跟蹤問題研究129-140
• 5.3.1 跟蹤精度的測量129-134
• 5.3.2 聚光器定向精度對 PTC 系統(tǒng)效率的影響134-136
• 5.3.3 關(guān)于太陽位置傳感器的安裝問題136-138
• 5.3.4 關(guān)于聚光器的旋轉(zhuǎn)角行程問題138-140
• 5.4 本章小結(jié)140-141
• 第六章 槽式太陽能集熱器陣列排布優(yōu)化研究141-161
• 6.1 太陽能集熱器陣列排布問題的研究現(xiàn)狀141-142
• 6.2 單軸跟蹤 PTC 陣列的排布優(yōu)化142-153
• 6.2.1 PTC 陣列的幾何遮擋模型142-147
• 6.2.2 日收集率與年收集率147
• 6.2.3 太陽光場的利用率147-148
• 6.2.4 計算結(jié)果與分析148-153
• 6.3 實驗研究153-160
• 6.3.1 遮擋率對集熱效率的影響實驗153-155
• 6.3.2 直輻射對溫升的影響實驗155-156
• 6.3.3 工質(zhì)流量對溫升的影響實驗156-157
• 6.3.4 傳熱管路熱損實驗157-160
• 6.4 本章小結(jié)160-161
• 第七章 槽式太陽能集熱器在溴化鋰吸收式制冷161-203
• 7.1 溴化鋰吸收式制冷機的結(jié)構(gòu)及工作原理161-163
• 7.1.1 溴化鋰吸收式制冷機的分類161-162
• 7.1.2 單效溴化鋰吸收式制冷機的工作原理162-163
• 7.2 PTC 驅(qū)動的單效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)實驗系統(tǒng)163-167
• 7.2.1 制冷實驗系統(tǒng)的組成163-166
• 7.2.2 測試系統(tǒng)描述166-167
• 7.3 系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換過程分析及測試167-173
• 7.3.1 制冷系統(tǒng)能量分析167-169
• 7.3.2 PTC 系統(tǒng)的熱效率169-171
• 7.3.3 傳熱管路熱損171-172
• 7.3.4 儲熱水箱熱損172-173
• 7.3.5 系統(tǒng)的集熱效率173
• 7.4 系統(tǒng)制冷性能實驗173-188
• 7.4.1 制冷機組制冷過程能量分析173-175
• 7.4.2 實驗結(jié)果175-180
• 7.4.3 實驗結(jié)果分析180-182
• 7.4.4 加熱溫度對機組制冷性能的影響182-184
• 7.4.5 冷卻溫度對機組制冷性能的影響184-185
• 7.4.6 啟動溫度對機組制冷性能的影響185
• 7.4.7 機組制冷量與面積的匹配關(guān)系185-188
• 7.5 系統(tǒng)在供暖模式下的供暖性能研究188-193
• 7.5.1 系統(tǒng)供暖能量分析188-189
• 7.5.2 供暖性能實驗結(jié)果189-191
• 7.5.3 系統(tǒng)制熱量與制熱面積的匹配關(guān)系191-193
• 7.6 系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化問題研究193-196
• 7.6.1 關(guān)于 PTC 的旋轉(zhuǎn)角行程問題193
• 7.6.2 提高 PTC 效率的其它方法193-194
• 7.6.3 傳熱管路布置優(yōu)化問題194-195
• 7.6.4 儲熱水箱設(shè)計優(yōu)化問題195
• 7.6.5 PTC 集熱面積與制冷機容量的匹配問題195-196
• 7.7 關(guān)于實現(xiàn)熱能的高效利用問題研究196-201
• 7.7.1 制冷機的冷熱聯(lián)產(chǎn)問題196-197
• 7.7.2 利用制冷熱泵兩用機組197-199
• 7.7.3 采用雙效溴化鋰制冷機199-201
• 7.7.4 設(shè)置輔助加熱系統(tǒng)201
• 7.8 本章小結(jié)201-203
• 第八章 總結(jié)與展望203-208
• 8.1 研究工作總結(jié)203-205
• 8.2 主要創(chuàng)新點205-206
• 8.3 研究展望206-208
• 參考文獻(xiàn)208-217
• 攻讀博士學(xué)位期間參與項目研究情況及所取得的研究成果217-219
• 致謝219

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