线性菲涅尔反射式太阳能集热系统研究

【摘要】：太阳能是取之不尽、用之不竭的环保新能源,是世界应对能源危机的最佳解决方案之一。我国目前在太阳能低温(100℃以下)应用(太阳能热水器)方面取得了巨大的成功,但对太阳能中高温热利用(100-300℃)的研究还很少,广大工业过程亟需环保、价廉的中高温热源。线性菲涅尔反射式(Linear Fresnel Reflector, LFR)太阳能中高温集热系统,使用平面反射镜,易于制造、价格低廉,与其它聚焦太阳能系统相比具有显著优势,得到了世界各国的高度重视和普遍关注。 目前,线性菲涅尔反射式集热系统普遍存在遮挡和阴影问题,造成系统利用效率低,必须研究菲涅尔系统的优化布置形式以削弱该问题的影响。另一方面,在太阳能集热系统中涉及到辐射-导热-对流耦合传热,要实现整个能量传递环节在最优工况下运行,必须研究高热流密度条件下传热工质的换热规律,探索接收器内强化传热的方法。有关这方面的研究已成为太阳能中高温领域的前沿课题之 一,具有十分重要的学术研究意义和非常广阔的应用前景。 本文首先研究了将平面反射镜场与复合抛物聚光器(Compound Parabolic Collector, CPC)耦合考虑的新型菲涅尔反射聚光系统,探索解决线性菲涅尔系统阴影和遮挡问题的方法。给出了CPC的设计原理和优化途径；分析推导了确定集热系统接收器高度、镜场范围和反射镜间距等重要参数的布置公式；计算出了每面反射镜的最佳初始偏角,建立了反射镜场布置和二次聚光器结构设计综合优化理论与模型。并根据理论分析,设计计算了一个典型的1kW菲涅尔反射集热系统,给出了镜场布置的关键参数,并利用TracePro光学模拟软件,采用蒙特卡罗光线跟踪法,建立了所设计的1kW菲涅尔反射系统的光学模型,研究了在不同太阳光线入射角的情况下,菲涅尔系统的镜场布置和光学性能。 其次,根据热力学第一定律,对反射式线性菲涅尔单管CPC腔型集热器的集热性能开展了理论研究。针对该系统建立了稳态模型,利用辐射热网络法和传热热阻原理,研究了CPC腔型集热器内的辐射传热和热损失分布情况,计算了该集热器的集热性能。模拟分析表明：在计算条件下,CPC腔型集热器最大集热效率约为0.65,在太阳能集热高温段有着明显的优势：增加接收器的长度能够很好地提高集热温度；通过玻璃盖层的传热是系统热损失的主要环节；集热器光学参数对集热性能的影响较大,应努力提高玻璃盖层的透过率和CPC腔体内壁的反射率并降低保温层外壁的发射率来减小总热损系数,提高集热器的热性能。另外,运用MATLAB/GUI图形界面设计工具来研究开发了一种CPC腔型集热器热性能分析软件,用户可以通过改变集热器的结构参数来研究系统性能的相应变化,该软件提供了一个可供反复使用且操作简单的集热器热分析工具。 最后,基于上述理论优化分析,搭建了典型1kW线性菲涅尔反射式中高温集热系统,通过实验来验证其实际性能。本文测试了该集热系统的热损失性能、空晒性能参数、CPC腔温度分布和集热效率等关键参数。实验结果显示,该集热器的平均热损失系数UL约等于0.63 W/(m2·℃),表明本实验装置有着良好的保温性能；在实验条件下,菲涅尔反射式集热系统的空晒温度达到270℃,其空晒性能参数Ys约为0.52℃.m2/W;CPC腔体内的温度变化趋势一致,但其分布是不均匀的,中间位置的温度最高,两端和边缘位置的温度最低；该菲涅尔集热系统拟合效率曲线为η=0.618-0.00125(T1-Ta)。实验结果表明,所设计的线性菲涅尔反射式中高温集热系统有着较优的集热性能。 【关键词】：太阳能 线性菲涅尔反射 中高温集热 镜场布置 集热性能
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TK513
【目录】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 重要符号说明12-13
• 第1章 绪论13-21
• 1.1 课题研究背景和意义13-16
• 1.2 课题研究现状及存在的问题16-19
• 1.3 本文的主要研究内容19-21
• 第2章 线性菲涅尔反射式集热系统光学性能分析21-40
• 2.1 CPC复合接收器21-25
• 2.1.1 CPC复合接收器原理21-23
• 2.1.2 CPC复合接收器的数学分析23-25
• 2.2 线性菲涅尔反射式集热镜场优化布置原理25-33
• 2.2.1 线性菲涅尔反射式集热镜场范围的确定25-29
• 2.2.2 线性菲涅尔反射式集热镜场最佳初始角的确定29-31
• 2.2.3 1kW线性菲涅尔反射式集热系统设计31-33
• 2.3 TracePro软件光学模拟33-39
• 2.3.1 蒙特卡罗光线追踪法34-35
• 2.3.2 线性菲涅尔反射式集热系统光学模拟35-39
• 2.4 本章小结39-40
• 第3章 线性菲涅尔反射式腔型集热器热性能分析40-56
• 3.1 CPC腔型集热器稳态传热模型建立41-45
• 3.1.1 腔型集热器物理模型41-42
• 3.1.2 腔型集热器传热过程数学模型42-45
• 3.2 CPC腔型集热器计算结果与分析45-50
• 3.2.1 CPC腔型集热器集热效率对比45-47
• 3.2.2 CPC腔型集热器沿管长的温度分布47-48
• 3.2.3 CPC腔型集热器的热损失分布48
• 3.2.4 CPC腔型集热器光学参数对集热性能的影响48-50
• 3.3 基于MATLAB图形界面的集热器热性能分析软件设计50-55
• 3.3.1 MATLAB介绍50-51
• 3.3.2 MATLAB/GUI图形用户界面设计工具51-53
• 3.3.3 CPC腔型集热器热性能分析软件设计53-55
• 3.4 本章小结55-56
• 第4章 线性菲涅尔反射式中高温集热系统实验研究56-71
• 4.1 线性菲涅尔反射式CPC腔型集热系统简介56-57
• 4.2 线性菲涅尔反射式中高温集热测试系统57-60
• 4.3 线性菲涅尔反射式集热系统热性能实验研究60-70
• 4.3.1 集热系统热损失性能实验60-61
• 4.3.2 集热系统空晒性能参数61-63
• 4.3.3 CPC腔体集热器温度分布63-66
• 4.3.4 集热系统热效率实验66-70
• 4.4 本章小结70-71
• 第5章 总结及展望71-74
• 5.1 总结71-72
• 5.2 工作展望72-74
• 参考文献74-78
• 致谢78-79
• 攻读学位期间发表的学术论文目录79-80
• 攻读学位期间参与的项目80-81

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