太陽能高倍聚光能量傳輸利用理論及試驗研究

【摘要】： 作為新能源,太陽能具有綠色環(huán)?？沙掷m(xù)利用等優(yōu)點,在解決傳統(tǒng)能源危機中,太陽能利用是各國競相開發(fā)和研究的熱點。同時,由于太陽能的能量密度小,光照過程不連續(xù),使得太陽能在收集、傳輸以及轉化過程產生高耗性投資。非聚光及低倍太陽能聚光不利于能源品味的進一步提高,限制了太陽能的應用范圍,因而太陽能只是作為傳統(tǒng)能源的輔助性能源。 從提高能源利用效率和能源梯級利用的角度,必須研究開發(fā)太陽能模塊化聚光技術和中高溫能源的儲存利用技術。本文為太陽能利用在強度和時間上的內在制約提供了新型的解決方案,研究成果對高倍聚光太陽能系統(tǒng)在特殊場合的實用性,常規(guī)條件下的商業(yè)規(guī)?；季哂兄匾囊饬x。研究的具體內容包括: (1)通過應用熱力學第一定律和第二定律過對太陽能聚光能量傳輸和利用系統(tǒng)進行熱力學分析,發(fā)現理想系統(tǒng)對外輸出功率最大時的集熱溫度為2464K,幾何聚光比為2617,太陽能的轉換效率極限值可達84.9%。這表明在太陽能高倍聚光條件下,對太陽能綜合利用效率具有較大的提升潛力。 (2)基于幾何光學的知識,對全光譜的太陽光進行光線追蹤,優(yōu)化高倍聚光太陽能的實現方案。通過對三種兩級高倍聚光方法的理論分析和相關實驗研究,分析了太陽輻射特征與聚光光斑尺寸,入射偏角與熱流密度的關系,也對光學效率的進行了測試和分析,獲得聚光器形面的設計方法以及提高光學效率的能量傳輸方式,并提出了以兩級菲涅爾透鏡系統(tǒng)為模塊化的太陽能高倍聚光方案。 (3)根據所提出的兩級菲涅爾透鏡聚光方案,建立了菲涅爾透鏡幾何光學分析模型,通過仿真計算,獲得了不同偏角下的靜態(tài)聚光光斑的位置,能量密度,光強分布特性?；谔栞椛涞淖児r條件,研究聚焦光斑在接收面上的偏移,光斑處的溫度變化特性,太陽輻射以及熱流密度的關系,得到的結果對模塊化時的接收面研制的合理性和有效性有指導意義。 (4)通過實驗對所提出的菲涅爾兩級聚光太陽能系統(tǒng)進行整體性能評估,同時,對仿真模型的有效性進行了驗證。利用所建立的兩級多維調試測量平臺,研究了聚光太陽能系統(tǒng)的能量效率,包括傳光及傳能特性。結果表明,聚光比大于1000倍條件下,聚光系統(tǒng)的全光譜平均能量效率大于50%,在可見光的范圍內,4合1耦合光纖的傳光效率大于50%,光導管中的近紅外光的能量傳輸效率大于70%;研究表明兩級系統(tǒng)的追蹤角誤差可以控制在1°范圍內,從而證明了所研制的菲涅爾兩級聚光系統(tǒng)可以在較大的追蹤允許誤差范圍內工作,可以降低追蹤系統(tǒng)的投資費用。 (5)探討了高倍聚光太陽能轉換裝置在一種電熱聯用系統(tǒng)中的應用。以一種電熱聯用的模塊化應用為例,對系統(tǒng)光熱和光電轉換特性進行了分析和評估。光電轉換過程的分析結果認為,聚光條件下的熱電聯用具有提升利用效率的潛力。把熱分區(qū)技術應用于能量儲存,可以在規(guī)?；瘧玫拇笮吞柲芟到y(tǒng)中獲得更多的可用能儲存。通過研究,總體效率可以達到70%以上。 【關鍵詞】：高倍聚光 模塊化 光學效率 聚光傳輸 能量轉換
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2007
【分類號】：TK513
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 緒論13-28
• 1.1 研究背景及意義13-15
• 1.1.1 太陽能資源13-14
• 1.1.2 太陽能利用方式14-15
• 1.2 國內外太陽能聚光傳輸利用研究現狀15-23
• 1.2.1 太陽能聚光轉換過程15-19
• 1.2.2 太陽能聚光傳輸過程19-20
• 1.2.3 太陽能聚光應用20-23
• 1.3 模塊化聚光能量系統(tǒng)的實用化研究23-25
• 1.4 課題的選題意義、方向及難點25-27
• 1.4.1 課題研究的必要性25
• 1.4.2 課題研究的方向及主要內容25-26
• 1.4.3 課題難點與技術路線26-27
• 1.5 本章小結27-28
• 第二章 太陽能聚光轉換過程的熱力學分析28-44
• 2.1 太陽輻射轉換過程的熱力學問題28-35
• 2.1.1 太陽輻射過程的不可逆28-29
• 2.1.2 太陽能轉換過程的可逆分析29-33
• 2.1.3 轉換效率極限33-35
• 2.2 太陽能聚光能量系統(tǒng)35-39
• 2.2.1 太陽能聚光系統(tǒng)35-38
• 2.2.2 太陽能傳輸系統(tǒng)38-39
• 2.3 基于可用能的太陽輻射轉換效率分析39-43
• 2.3.1 光熱轉換過程39-41
• 2.3.2 光電轉換過程41-43
• 2.4 本章小結43-44
• 第三章 太陽能高倍聚光系統(tǒng)的光學分析與優(yōu)化44-58
• 3.1 實現太陽能高倍聚光的不同模式44-47
• 3.1.1 成象光學系統(tǒng)44-45
• 3.1.2 非成象光學系統(tǒng)45-47
• 3.2 高倍聚光方案47-51
• 3.2.1 透射系統(tǒng)47-49
• 3.2.2 反射系統(tǒng)49-51
• 3.3 兩級聚光方案及優(yōu)化51-57
• 3.3.1 兩級聚光方案的設計51-52
• 3.3.2 光學性能分析52-57
• 3.4 本章小結57-58
• 第四章 兩級菲涅爾透鏡的太陽能高倍聚光系統(tǒng)58-76
• 4.1 模型及理論分析58-64
• 4.1.1 菲涅爾透鏡設計58-61
• 4.1.2 菲涅爾透鏡的光透性分析61-63
• 4.1.3 兩級菲涅爾聚光系統(tǒng)63-64
• 4.2 兩級菲涅爾聚光系統(tǒng)的能量分布特性64-69
• 4.2.1 聚光系統(tǒng)的光斑直徑64-66
• 4.2.2 不同焦距的對比66-67
• 4.2.3 不同光瞳的對比67-68
• 4.2.4 系統(tǒng)的光學透過率68
• 4.2.5 光斑偏移特性68-69
• 4.3 聚光傳輸過程的能量分析69-75
• 4.3.1 傳輸光纖69-70
• 4.3.2 評價指標70-72
• 4.3.3 傳輸光纖性能分析72-75
• 4.4 本章小結75-76
• 第五章 兩級菲涅爾透鏡太陽能聚光系統(tǒng)實驗76-96
• 5.1 兩級菲涅爾透鏡試驗臺76-80
• 5.1.1 試驗臺架初步設計76-78
• 5.1.2 裝置結構78-79
• 5.1.3 調節(jié)及追蹤機構79-80
• 5.2 聚光性能試驗80-86
• 5.2.1 測試目的與測試儀器80-81
• 5.2.2 測試結果與分析81-86
• 5.3 傳光性能試驗86-91
• 5.3.1 傳光光纖86
• 5.3.2 傳光方式86-87
• 5.3.3 測試儀器87-88
• 5.3.4 測試結果88-91
• 5.4 傳能性能試驗91-95
• 5.4.1 傳能光纖91
• 5.4.2 空芯光纖的制備91-93
• 5.4.3 空芯光纖的性能測試93-95
• 5.5 本章小結95-96
• 第六章 聚光型太陽能熱電聯用系統(tǒng)96-114
• 6.1 熱電聯用系統(tǒng)的構建96-101
• 6.1.1 兩級聚光系統(tǒng)的模塊化96-97
• 6.1.2 聚光型熱電聯用系統(tǒng)模型97-98
• 6.1.3 熱電聯用模塊的能量轉化98-101
• 6.2 聚光太陽能電熱聯用系統(tǒng)的模型分析101-107
• 6.2.1 電熱聯用面板結構101-102
• 6.2.2 物理模型及結果分析102-107
• 6.3 熱量儲存107-113
• 6.4 本章小結113-114
• 第七章 結論與展望114-117
• 7.1 研究結論114-116
• 7.2 創(chuàng)新點116
• 7.3 工作展望116-117
• 參考文獻117-128
• 致謝128-129

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