聚光型太阳能管式空气吸热器原理与设计初步探索

【摘要】：随着能源危机与环境危机的进一步加深,太阳能利用作为新能源利用中的重要组成部分在近年来得到了长足的进展。而且太阳能光热发电所具有的生产全过程无污染并且不对环境造成危害的特点近年来被广泛关注。其中槽式与塔式的太阳能示范电站都已成功建成发电。相比于这两种光热发电方式,太阳能空气涡轮发电的形势具有效率高,开始循环无需用水及安装利用灵活的特点。由于这些优点,太阳能空气涡轮发电的光热发电形式也开始受到广泛关注。因而,为太阳能空气涡轮提供热能的太阳能空气吸热器的好坏成为了太阳能空气涡轮系统发展的关键点。以太阳能空气吸热器为研究对象,本文对太阳管式空气吸热器进行了初步的研究与探索。 首先,本文简要介绍了世界各国对太阳能光热发电的投入与发展以及碟式太阳能空气涡轮发电系统的优势。对比完几种光热发电系统的优缺点后,阐述了太阳能空气涡轮发电系统发展中所存在的技术障碍。并论述了太阳能空气吸热器发展中需要解决的科学问题及技术难点。 其次,本文对吸热器设计中的问题进行原理性讨论与分析。给出了吸热器设计过程中所用的设计方法。包括吸热器换热计算,压力损失计算模型的确定。从吸热管单面吸热的特点分析了吸热管在各个方向的导热与对流换热的换热量级,假设了吸热管的传热模型。为具体的吸热管换热传热计算铺好道路。对吸热器锥形底座进行了简单的流场分析,得到了吸热器锥形底座内空气的流动特点。根据空气在此处的流动特点假设了空气在锥座中的换热计算模型,同时假设了空气在锥座中阻力计算的计算模型。最后,此部分还讨论给出了吸热器设计过程中应当遵循的原则。把吸热器的热效率、压力损失以及吸热器的加工制造成本放到一起进行考虑。最后得出吸热器设计过程中应当遵循的原则。 再次,本文进行了一个具体的太阳能空气吸热器的设计。吸热器的实验台是基于浙江华谊康迪斯安装在宁夏回族自治区银川市的一套总面积54.4平方米的全天候自动追踪太阳时的碟式太阳能聚光系统。据此实验台的现有条件,设计完成一个给定太阳能辐射能30KW、进出口温度差超过500℃、流量为0.05kg/s并且出口温度与吸热器内壁温度最高温差不超过400℃的太阳能管式空气吸热器。从吸热器的换热计算、压力损失计算两方面对吸热器进行了设计,并且同时考虑吸热器的加工难度与费用。除此之外,还对设计好的吸热器进行了三维数值模拟,进行了简要的三维流场分析,得到了较好的分析结果。 最后,本文以宁夏回族自治区银川市的碟式太阳能聚光镜为实验平台,对设计好的太阳能管式空气吸热器进行了实际性能测试。详细介绍了本次实验测试参数、测试方法；同时,详细规划了实验台各个部件的安装与配合方式。实验结果显示,所设计吸热器出口温度最高达到了552℃,设计流量点的最高效率达到了88%,压力损失低于3kPa吸热器内壁对应552℃高温情况下温度852℃。各个吸热管末尾温度分布均匀一致显示了各个吸热管之间空气流量也是均匀一致的。但由于加工问题,吸热器锥形底座并没有达到原来的设计要求,因而锥座的实验结果也并不理想。 【关键词】：碟式太阳能光热发电 太阳能空气吸热器 太阳能空气涡轮
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-11
• 图目录11-14
• 表目录14-15
• 1 绪论15-25
• 1.1 探索太阳能空气吸热器的背景与意义15-21
• 1.1.1 能源与环境危机15-16
• 1.1.2 寻求新能源——太阳能16
• 1.1.3 太阳能光热光伏发电比较16-17
• 1.1.4 太阳能光热发电17-20
• 1.1.5 聚光型碟式太阳能发电系统20-21
• 1.2 太阳能空气吸热器在系统中的关键地位21-22
• 1.3 国内外聚光型太阳能空气吸热器发展现状22-25
• 1.3.1 聚光型太阳能空气吸热器主要技术障碍与待解决的科学问题23-25
• 2 太阳能管式空气吸热器设计基本原理与设计思路25-46
• 2.1 太阳能管式空气吸热器设计基本原理25-43
• 2.1.1 以空气涡轮为动力机的碟式CSP的基本热力系统分析25-26
• 2.1.2 吸热器换热与压力损失分析26-43
• 2.2 太阳能管式空气吸热器设计思路43-46
• 2.2.1 科学问题层面43-44
• 2.2.2 技术层面44-45
• 2.2.3 设计思路45-46
• 3 太阳能管式空气吸热器设计与数值计算46-61
• 3.1 吸热器设计计算程序与步驟47-51
• 3.1.1 吸热器换热与压力损失计算程序47-49
• 3.1.2 吸热器保温层厚度计算49-50
• 3.1.3 吸热器结构形式的设计及最终设计结果50-51
• 3.2 吸热器数值计算51-59
• 3.2.1 流场分析51-53
• 3.2.2 速度场分析53-56
• 3.2.3 压力场分析56-59
• 3.3 吸热器吸热管温度场简单分析59-61
• 3.3.1 质量流量0.05kg/s和O.1kg/s、压力0.8MPa、30kW定功率加热工况下吸热器吸热管温度场分析59-60
• 3.3.2 质量流量0.05kg/s和0.1kg/s、压力0.8MPa、873K定温加热工况下吸热器吸热管温度场分析60-61
• 4 太阳能管式空气吸热器性能实验61-83
• 4.1 实验方案62-68
• 4.1.1 实验目的62-63
• 4.1.2 实验设备63-66
• 4.1.3 实验内容66-68
• 4.2 数据采集68-69
• 4.3 实验数据分析69-83
• 4.3.1 吸热器温度场与压力损失分析69-75
• 4.3.2 吸热器吸热效率分析75-83
• 5 结论与展望83-85
• 5.1 结论83
• 5.2 展望83-85
• 参考文献85-88
• 附录188-89
• 致谢89

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