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

【摘要】：随着人类社会的进步与发展，以及人民生活水平的不断提高，能源需求将大幅度地增长。然而，能源的开发和利用受到资源、技术、经济和环境等诸多因素的影响和制约，全球性的能源危机和环境恶化问题日益突出。开发和利用可再生、清洁的能源，积极寻找节能新技术是应对能源危机和生态危机的必经之路。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，将成为本世纪一种重要的新型能源。 太阳能热发电是太阳能热利用中一种重要的方式。目前已经开发利用的太阳能热发电系统主要有：塔式、槽式和碟式。本文对这3种发电系统进行了对比分析，主要比较了3种发电系统的技术特点、适用范围及技术难题，着重介绍了碟式太阳能热发电系统的组成和原理，并分析了其研究现状及其发展趋势。 腔式吸热器是安装在碟式聚光器焦点处收集太阳能并将其转化为热能的装置，其光热性能对整个热发电系统的性能具有重要影响。腔式吸热器的形状、开口尺寸对其光热性能有直接影响。本文从理论上分析了腔式吸热器接受太阳辐射并将其转化为热能过程中，产生的各种热量损失，如反射光损失、热辐射损失、对流热损失及导热热损失，并给出了这些热量损失的理论计算方法。同时，就其内部热流场分布问题建立了相应的连续性方程、能量方程、动量方程及湍流方程。在此基础上，本文运用光学软件TracePro和计算流体力学软件FLUENT，对腔式吸热器进行了光学性能和热力学性能的数值模拟。研究内容包主要括以下几方面： 针对4种结构的腔式吸热器(球形、圆柱形、圆锥形、平顶圆锥形)，建立了4种吸热器的三维几何模型。在相同的聚光器和太阳辐射强度下，运用光学模拟软件TracePro计算了4种吸热器的光学效率，并获得其辐射强度分布图。结果表明球形吸热器具有较好的光学性能。 针对球形吸热器，建立了6种不同开口比例(D/d)球形吸热器的三维几何模型，运用TracePro计算了在相同聚光器和太阳辐射强度下，6种吸热器光学效率的大小。运用FLUENT软件计算和比较了各吸热器的热力学效率。结果表明：1D/d1.5之间的球形腔式吸热器具有较高的综合效率。 本文的研究成果，可望为高效腔式吸热器的选型、设计、结构优化提供理论分析方法和数值研究方法。 【关键词】：太阳能热发电 蒙特卡洛法 腔式吸热器 数值模拟
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 课题研究的背景和意义11-14
• 1.1.1 能源利用的现状及趋势11-12
• 1.1.2 太阳能的特点和优势12-13
• 1.1.3 我国太阳能资源13-14
• 1.2 太阳能热发电技术的简介14-19
• 1.2.1 太阳能的发电形式14-16
• 1.2.2 国外研究动态16-18
• 1.2.3 国内研究动态18-19
• 1.3 主要研究目的及主要研究工作19-20
• 1.4 本章小结20-21
• 第二章 太阳能热发电技术概述21-27
• 2.1 太阳能热发电的主要形式21-26
• 2.1.1 塔式太阳能热发电21-23
• 2.1.2 槽式太阳能热发电23-25
• 2.1.3 碟式太阳能热发电25-26
• 2.2 三种太阳能热发电的比较26
• 2.3 本章小结26-27
• 第三章 碟式太阳能热发电系统27-37
• 3.1 系统的原理27
• 3.2 系统的组成27-32
• 3.2.1 聚光器28
• 3.2.2 跟踪系统28-29
• 3.2.3 吸热器29-30
• 3.2.4 热电转化装置30-32
• 3.2.5 储能装置32
• 3.3 吸热器研究进展及对本课题的启示32-36
• 3.3.1 吸热器的研究进展32-35
• 3.3.2 研究进展对本课题的启示35-36
• 3.4 本章小结36-37
• 第四章 腔式吸热器性能的理论计算方法37-53
• 4.1 腔式吸热器的各项热损失37-40
• 4.1.1 腔体内表面对聚焦光的反射光损失38
• 4.1.2 腔体的对流热损失38-39
• 4.1.3 腔体的热辐射热损失39
• 4.1.4 腔体的导热热损失39-40
• 4.2 描述腔体吸热器热流场的数学模型40-44
• 4.2.1 控制方程40-43
• 4.2.2 辐射传热模型43-44
• 4.2.3 流动类型判断准则44
• 4.3 计算平台的介绍44-52
• 4.3.1 TracePro 软件介绍44-47
• 4.3.2 FLUENT 软件的介绍47-52
• 4.4 本章小结52-53
• 第五章 腔式吸热器的光学性能模拟与分析53-59
• 5.1 物理模型53-54
• 5.1.1 模型的假设53-54
• 5.1.2 腔式吸热器的结构及尺寸设定54
• 5.2 计算原理及方法54-56
• 5.2.1 蒙特卡洛光线追踪法原理54-55
• 5.2.2 反射光线计算方法55-56
• 5.3 不同形状吸热器模拟结果比较与分析56-58
• 5.3.1 反射光损56
• 5.3.2 太阳辐射热流分布的模拟结果56-58
• 5.4 本章小结58-59
• 第六章 球形腔式吸热器性能模拟和优化59-70
• 6.1 物理模型59-60
• 6.2 控制方程60
• 6.3 材料物性60-61
• 6.4 网格划分和边界条件61-63
• 6.4.1 网格划分61-62
• 6.4.2 网格的检验62
• 6.4.3 边界条件62-63
• 6.5 计算模型的检验63-65
• 6.5.1 残差收敛判定63-64
• 6.5.2 系统流量平衡检验64-65
• 6.6 计算结果与分析65-69
• 6.6.1 光学性能分析65
• 6.6.2 温度场分布65-67
• 6.6.3 速度场分布67-68
• 6.6.4 热损分析68-69
• 6.7 本章小结69-70
• 结论与展望70-73
• 参考文献73-80
• 攻读博士/硕士学位期间取得的研究成果80-81
• 致谢81-82
• 附件82

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