相变蓄热对立式集热板太阳能热气流系统运行性能的影响研究

【摘要】：传统太阳能热气流电站由于其集热棚直径很大,只能建在人口稀少的荒漠化地区,而且烟囱非常高,不易建造与保持稳定。课题组在传统太阳能热气流电站基础上设计了一种立式集热板太阳能热气流发电系统,该系统将集热板与烟囱合为一体,依附在高层建筑物上建造,这一设计大大减小了原有太阳能热气流电站的占地面积,将技术简单,清洁环保的太阳能热气流发电技术应用在太阳能资源同样丰富的城市中。由于太阳辐射的间断性与不稳定性,为了提高能源利用率,保证立式集热板太阳能热气流发电系统的连续运行,本文在系统中设置了以石蜡相变材料作为蓄热材料的蓄热层,研究了相变蓄热对系统运行性能的影响,并研究了强化空气与石蜡换热的方式。 本文主要针对系统内空气流动与相变蓄热的耦合情况进行了非稳态数值计算研究,比较了系统有无相变蓄热层时竖直烟囱流道内空气的最大流速和系统最大功率,分析了蓄热层厚度对系统运行情况的影响。通过分析得出:系统内空气最大流速和系统最大功率随时间的变化关系与太阳辐射量随时间的变化关系相似,中午太阳辐射量达到最大值时,气流速度和功率也达到最大值;包含蓄热层的系统在夜间有0.79m/s的风速,系统功率有1.3W左右,正午时系统的最大功率值比没有蓄热层时低,但是由于石蜡的储能作用,使得该值随天数增加不断提高,并且夜间气流速度也不断增大,因此可得出蓄热层能保证电站系统的连续运行;另外本文比较了两种蓄热层厚度对竖直烟囱流道内空气最大流速和系统最大功率的影响,通过研究表明,当蓄热层厚度为0.2m时,系统获得的最大功率值略大,因此在本文的系统中可将蓄热层的厚度设置为0.2m。 由于石蜡和空气的导热系数较低,本文采用扩展表面的方法强化空气与石蜡之间的换热,设计了多种表面带肋的蓄热层,并对其蓄放热能力进行了模拟和比较,结果表明:增加空气与石蜡的换热接触面积,能够有效强化二者之间的换热;且当蓄热层表面带有纵向矩形肋时,石蜡的蓄热和放热时间大大缩短,系统中空气的流速得到了提高,从而保证了系统运行的连续性。另外本文利用数值模拟法分析了在石蜡相变材料中添加不同含量的纳米粒子对其蓄放热过程的影响,对纳米粒子强化立式集热板太阳能热气流系统中相变材料的蓄放热能力进行了前瞻性的研究。 【关键词】：太阳能 热气流电站 相变蓄热 非稳态 强化传热
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TK514
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 1 绪论12-25
• 1.1 能源与环境现状12-13
• 1.2 太阳能的利用13-16
• 1.2.1 我国太阳能资源分布13-14
• 1.2.2 太阳能的利用方式14-16
• 1.2.2.1 太阳能光热利用14-15
• 1.2.2.2 太阳能光电利用15-16
• 1.3 太阳能热气流发电技术16-20
• 1.3.1 太阳能热气流发电技术的研究进展17-19
• 1.3.2 我国太阳能热气流发电技术应用现状19
• 1.3.3 立式集热板太阳能热气流发电系统19-20
• 1.4 相变材料及相变储能技术20-23
• 1.4.1 相变材料的分类21-22
• 1.4.2 相变材料及相变储能技术的研究进展22-23
• 1.5 课题的提出23-25
• 1.5.1 课题的研究内容24
• 1.5.2 课题的研究意义24-25
• 2 相变蓄热数值模拟方法的验证25-34
• 2.1 相变材料传热理论25-27
• 2.1.1 相变问题的传热模型25-27
• 2.1.2 相变传热问题的求解方法27
• 2.2 FLUENT 软件中的凝固/熔化模型27-29
• 2.3 数值模拟方法验证29-33
• 2.4 本章小结33-34
• 3 相变蓄热对立式集热板太阳能热气流系统运行的影响34-53
• 3.1 蓄热层相变材料的选择34-36
• 3.2 系统物理模型的建立36-37
• 3.3 系统数学模型的建立37-43
• 3.3.1 空气区域的数学模型38-42
• 3.3.2 相变区域的数学模型42-43
• 3.4 数值模拟参数设置及结果分析43-52
• 3.4.1 计算参数设置43-44
• 3.4.2 蓄热层蓄放热过程的模拟44-46
• 3.4.3 有无蓄热层时系统运行状态比较46-48
• 3.4.4 蓄热层厚度不同时系统运行情况比较48-52
• 3.5 本章小结52-53
• 4 空气与蓄热层间的强化传热研究53-65
• 4.1 肋片强化传热的研究现状53-54
• 4.2 带肋蓄热层的蓄放热能力模拟54-62
• 4.2.1 蓄热层熔化过程的模拟54-58
• 4.2.2 蓄热层凝固过程的模拟58-61
• 4.2.3 最优换热表面的选择61-62
• 4.3 带肋蓄热层与空气的耦合模拟62-64
• 4.4 本章小结64-65
• 5 纳米粒子强化石蜡蓄放热研究65-72
• 5.1 提高石蜡导热系数的研究进展65-67
• 5.2 纳米粒子强化石蜡蓄放热过程的模拟67-71
• 5.2.1 物理模型和材料参数计算67-68
• 5.2.2 数值模拟与结果分析68-71
• 5.3 本章小结71-72
• 6 总结与展望72-75
• 6.1 主要结论与创新点72-73
• 6.1.1 主要结论72-73
• 6.1.2 创新点73
• 6.2 展望73-75
• 参考文献75-81
• 致谢81-82
• 攻读硕士学期间发表的学术论文82-83

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