太阳能碟式/碱金属热电转换系统中热管式吸热器对流热损失特性研究

【摘要】：由于能源和环境问题，以及对电力的需求不断增加，以清洁、可再生能源为资源的太阳能热发电技术已成为最有前途和最具挑战的技术之一。太阳能碟式热发电系统作为三大太阳能热发电系统（槽式、塔式和碟式）之一，具有高效率，模块化，自主运行，适用于多种能源形式（无论是太阳能或化石燃料，或两者混合）的优点。一方面，传统的以碟式/斯特林发电机等形式来实现热电转换的太阳能碟式热发电系统正受到挑战；另一方面，太阳能碟式热发电系统中的吸热器是太阳能向热能转换的关键部件，通常存在各种形式的热损失。其中，对流热损失是吸热器能量损失的重要组成部分，但由于机理复杂，计算难度大，是研究太阳能碟式热发电系统中吸热器热性能的重点和难点，也是当前太阳能领域的热点前沿课题。 本文在大量文献调研和比较性研究的基础上，首先提出一种新的太阳能碟式热力循环系统—太阳能碟式/碱金属热电转换系统和一种能够实现等温光热转换的太阳能热管式吸热器。在此之后，以热管式吸热器为对象，采用三维数值模拟方法研究了热管式吸热器在有/无环境风条件下，其内部和采光口附近空气的流动和传热特征；在变物性条件下探讨了相关参数，如采光口的位置和大小、腔体的深径比、倾角、壁温以及环境风对热管式吸热器的自然或自然-强制混合对流热损失的影响规律；比较了热管式吸热器在有/无环境风条件下对流热损失特性的差异，揭示了环境风对吸热器对流热损失的影响规律以及由环境风引起的强制对流和腔体内自然对流的耦合特征。相应地，提出用于预测太阳能腔式吸热器的自然对流和混合对流热损失的Nusselt数关系式，并与已有模型进行比较。然后，根据数值计算结果，对太阳能碟式/碱金属热电转换系统的整体热-电转换性能进行评价，并详细讨论了其性能与各种参数之间的关系。最后，通过建立圆柱形腔式吸热器热损失特性实验台，采用电加热的方法，研究了倾角、热流密度和开口率等参数对圆柱形腔式吸热器热损失的影响。本文一方面可发展和丰富太阳能吸热器对流热损失理论，另一方面为太阳能碟式热发电系统设计和性能提高提供科学依据。所得主要结果如下： ①对于热管式吸热器在无风环境下的自然对流热损失，采用三维数值模拟方法研究表明：由于考虑了空气热物性随温度的变化，数值结果与实验结果更吻合；同时，吸热器自然对流热损失和对流换热系数随腔体壁面温度的升高而增大，而对流换热Nusselt数随腔体壁面温度的升高而减小。采光口位置对吸热器自然对流热损失的影响与倾角密切相关，而采光口大小对吸热器自然对流热损失的影响在不同的倾角下类似。当吸热器腔体的深径比减小时，腔体内部的对流区域和空气流速都增大，从而导致自然对流热损失增大。同时，定义修正的开口率，用以耦合深径比和采光口大小的共同影响。此外，实验研究发现：当输入热功率不变时，吸热器的自然对流热损失随着倾角的增大而减小，导热损失和辐射热损失随倾角的增大而增大。与恒壁温工况下的结果不同的是，吸热器在恒热流工况下，其自然对流热损失Nusselt数随着自然对流热流密度的增大而缓慢增大，而在恒壁温边界条件下，吸热器自然对流热损失Nusselt数随着壁温的增大而线性减小。此外，定热流工况下倾角对辐射热损失的影响比定壁温工况略大。 ②对于热管式吸热器在有风环境下的自然-强制混合对流热损失，采用三维数值模拟方法研究表明：区别于无风环境下吸热器自然对流热损失随倾角增加而单调减小的规律，在有风环境下，太阳能吸热器混合对流热损失同时受到环境风和倾角的共同影响，且规律较为复杂。在某些环境风条件下，吸热器的混合对流热损失甚至小于无风环境下的自然对流热损失，且存在临界风速使混合对流热损失达到极小值。此外，当风速不断增加时，吸热器在不同倾角下的混合对流热损失差异越来越小。 ③对于太阳能碟式/碱金属热电转换系统的整体热-电转换性能，理论计算表明：太阳能碟式/碱金属热电转换系统在有风环境下的整体热-电转换效率随运行温度的变化规律与无风环境下的情形非常相似。所不同的是，在无风环境下，太阳能碟式/碱金属热电转换系统的热-电转换效率峰值为20.7％；而在有风环境下，系统的热-电转换效率峰值降为19.0％。此外，太阳能碟式/碱金属热电转换系统的热-电转换效率随着风速的增加而降低，但风向的影响很小。鉴于太阳能碟式/碱金属热电转换系统的高效性，太阳能碟式/碱金属热电转换系统有望成为最具竞争力的太阳能利用技术之一。 【关键词】：太阳能碟式/碱金属热电转换系统 热管式吸热器 自然对流 自然-强制混合对流 热损失
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK513
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 主要符号表11-14
• 1 绪论14-38
• 1.1 太阳能热发电系统14-17
• 1.2 太阳能碟式热发电系统的吸热器类型17-20
• 1.2.1 直接照射式吸热器17-18
• 1.2.2 热管式吸热器18-19
• 1.2.3 容积型吸热器19-20
• 1.3 腔式吸热器的对流热损失20-35
• 1.3.1 对流热损失机理20-22
• 1.3.2 自然对流热损失研究现状（无风环境下）22-33
• 1.3.3 自然-强制混合对流热损失研究现状 (有风环境下)33-35
• 1.4 小结35-38
• 2 太阳能腔式吸热器自然对流热损失模型的比较研究和本文研究内容38-46
• 2.1 自然对流热损失预测模型的比较研究38-42
• 2.1.1 Model 吸热器的自然对流热损失38-40
• 2.1.2 McDonald 吸热器的自然对流热损失40-42
• 2.2 本文研究内容42-44
• 2.3 小结44-46
• 3 太阳能碟式/碱金属热电转换系统和热管式吸热器46-54
• 3.1 太阳能碟式/碱金属热电转换系统46-49
• 3.1.1 碱金属热电转换器(AMTEC)简介46-47
• 3.1.2 太阳能碟式/碱金属热电转换系统47-49
• 3.2 热管式吸热器49-52
• 3.3 小结52-54
• 4 无风环境下热管式吸热器自然对流热损失的数值模拟54-88
• 4.1 物理和数学模型及数值方法54-56
• 4.1.1 物理模型及相关假设54-55
• 4.1.2 数学模型55-56
• 4.1.3 数值方法56
• 4.2 空气热物性随温度变化的影响56-68
• 4.2.1 网格无关性和有效性验证56-57
• 4.2.2 结果分析与讨论57-66
• 4.2.3 自然对流 Nusselt 数关系式①66-67
• 4.2.4 小结67-68
• 4.3 采光口位置和大小的影响68-78
• 4.3.1 网格无关性和有效性验证68
• 4.3.2 结果分析与讨论68-77
• 4.3.3 自然对流 Nusselt 数关系式②77
• 4.3.4 小结77-78
• 4.4 深径比的影响78-88
• 4.4.1 网格无关性和有效性验证78
• 4.4.2 结果分析与讨论78-83
• 4.4.3 修正开口率 AR′83-84
• 4.4.4 自然对流 Nusselt 数关系式③④⑤⑥84
• 4.4.5 模型比较84-87
• 4.4.6 小结87-88
• 5 有风环境下热管式吸热器自然-强制混合对流热损失的数值模拟88-112
• 5.1 物理和数学模型88-90
• 5.2 数值方法及其有效性验证90-91
• 5.3 结果分析与讨论91-109
• 5.3.1 环境风影响的可视化结果91-104
• 5.3.2 自然-强制混合对流热损失的定量结果104-109
• 5.4 混合对流 Nusselt 数关系式109
• 5.5 小结109-112
• 6 太阳能碟式/碱金属热电转换系统的性能评价112-130
• 6.1 理论分析和计算模型112-117
• 6.1.1 太阳能碟式集热子系统的热效率ηc112-114
• 6.1.2 AMTEC 子系统的热电转换效率ηAMTEC114-117
• 6.2 计算模型的有效性验证117-118
• 6.3 结果分析与讨论118-127
• 6.3.1 无风环境下119-124
• 6.3.2 有风环境下124-127
• 6.4 小结127-130
• 7 圆柱形腔式吸热器热损失特性的实验研究130-142
• 7.1 实验装置130-132
• 7.2 实验原理（热损失的计算）132-133
• 7.2.1 辐射热损失 Qra的计算132
• 7.2.2 导热损失 Qcd的计算132
• 7.2.3 自然对流热损失 Qcv的计算132-133
• 7.2.4 自然对流热损失 Nusselt 数 Nuc与辐射热损失 Nusselt 数 Nur的计算133
• 7.3 实验步骤133-134
• 7.4 实验结果与分析134-137
• 7.5 实验误差分析与计算137-141
• 7.5.1 实验误差分析137-139
• 7.5.2 实验误差计算139-141
• 7.6 小结141-142
• 8 结论与展望142-146
• 8.1 主要结论142-144
• 8.2 研究展望144-146
• 致谢146-148
• 参考文献148-158
• 附录158-160
• A. 攻读博士学位期间发表的学术论文158-159
• B. 攻读博士学位期间申请的专利159-160
• C. 攻读博士学位期间参加的科研项目160

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

一侧开口式圆柱形腔体热损失特性的实验研究    徐连辉

基于变物性影响的一侧全开式圆柱形腔体内传热特性的数值模拟    贾丹

基于壁面均匀热流的部分开口式圆柱形腔体耦合热损失特性的数值模拟    郭凤华

架空输电线路暂态热平衡模拟及风险评估    李银艳

带有透明蜂窝漂浮式选择性吸热器的小型净水太阳池数值模拟分析    葛新石，黄护林

塔式太阳能热发电吸热器技术研究进展    杨敏林;杨晓西;左远志;

太阳能热动力发电系统中高温热管式吸热/蓄热器技术研究    崔海亭,郭彦书,王振辉,石文兰

高温熔盐相变蓄热系统的数值模拟    邢玉明,崔海亭,袁修干

太阳能热发电技术中的热电转换技术    李鑫;

太阳能热动力系统吸热/蓄热器能量分析    侯欣宾,袁修干,崔海亭

操作参数对组合式吸热器热性能的影晌    崔海亭,袁修干,邢玉明

抛物盘镜太阳灶热性能的试验研究    王锦侠,车茂隆

组合相变材料换热管吸热器性能的数值分析    侯欣宾,袁修干,崔海亭

微重力条件下相变材料容器的二维瞬态热分析    董克用,袁修干

饮水机用半导体制冷的热管式吸热器研制    张建成;

WSN中基于太阳能感知的分簇算法    丁翠;牛长流;

太阳能空气集热器传热性能实验研究    魏琪;赵俊;

建筑节能与门窗设计    蔡士钦;何青江;

石蜡相变材料强化传热技术研究    于树轩;章学来;施敏敏;

建筑节能问题的探讨    邱林;王强;李甦;

欧特克绘制世界最大“太阳帆”    记者 李国敏

我国跨入船舶新能源研发新时代    记者 张银炎

江苏节能减排融入生活细节    杭春燕高杰

谋财的头脑 淘金的助手    

水替代氢成空间动力装置燃料    董映璧

桑普平板式集热器独领市场风骚    本报记者 戴志忠

美拟加快机器鹰“孵化”进程    张孟军

西门子：新能源产业风风火火    本报驻柏林记者 魏爱苗

捕捉最大量的太阳能    本报记者 李禾

投建亚洲首个光热电站 皇明加码太阳能发电    种昂

太阳能碟式/碱金属热电转换系统中热管式吸热器对流热损失特性研究    肖兰

太阳能高效吸热陶瓷材料及吸热器的设计与研究    刘孟

熔融盐横纹管吸热器传递特性与强化机理研究    文玉良

碟式斯特林太阳热发电系统太阳模拟器的设计与实验研究    杜景龙

线性菲涅耳太阳能聚光系统的理论分析与实验研究    杜春旭

碟式聚光太阳能热发电系统用斯特林发动机的研制    李铁

聚光型太阳能管式空气吸热器原理与设计初步探索    王墩金

碟式太阳能热发电吸热器的数值模拟研究    王俊杰

塔式太阳能热发电站熔融盐吸热器故障诊断专家系统研究    王建楠

太阳能腔式吸热器热性能和热应力分析    康剑南

碟式太阳能吸热器的性能实验研究    李珍

碟式太阳能热发电系统中腔式吸热器光热性能的数值研究及优化    毛青松

外露管式太阳能熔盐吸热器的传热研究    王幸智

太阳能塔式热发电吸热器动态仿真模型    高维

碟式聚光太阳能集热器的性能分析及试验装置设计    宋佳

多孔介质吸热器传热特性研究    于春亮