CPC优化设计及对脉动热管太阳能集热器运行特性影响研究

发布时间：2020-06-18 06:07

【摘要】：复合抛物面聚光器(Compound Parabolic Concentrator,CPC)是一种接近于理想聚光器的非成像聚光器。它根据边缘光线原理设计,对接收角范围内的入射光线具有光陷阱作用,可将接收角范围内的辐射光线聚集到吸收体上。其具有聚光效率高,可对各种波长和部分散射光进行收集;无需跟踪装置,只需按季节调整的优点,在中低温太阳能领域拥有巨大应用潜力。脉动热管作为一种高效传热装置,在航空设备降温、电子器件冷却、余热利用及太阳能领域具有巨大应用潜力。将CPC与脉动热管相结合,提出了一种CPC脉动热管太阳能集热器。一方面,CPC的聚光作用增加了脉动热管吸热段(蒸发段)热流密度,增强脉动热管传热能力;另一方面,脉动热管管径较小,使CPC在较小尺度下,可实现3-5倍聚光,便于实现与建筑物一体化。针对CPC的聚光特性,以及CPC聚光特性对新型集热器运行特性的影响开展了理论及实验研究。(1)通过蒙特卡罗光线追迹法(MCRT),自编程对圆管型CPC的聚光特性进行了研究,分析了截取比、光线入射角度、聚光比对聚光特性的影响,研究发现,CPC的聚光作用使圆管吸热器上形成2个热流密度峰值,随着入射光线角度增加,峰值热流密度向圆管吸热器上部移动。入射光线角度小于接收半角时,随聚光比的增加,平均热流密度几乎成线性增加,当超过接收半角时,平均热流密度陡降。平均热流密度随截取比的增大而缓慢增加,整体变化不大。(2)分析了聚光面旋转、平移、CPC起始点截取和吸热器位置的偏置对吸热器聚光特性的影响。研究结果显示,聚光面旋转、平移和CPC起始点截取对吸热器的热流密度影响不大。吸热器与CPC装配时,尽量避免吸热器下偏和左右偏置,如果入射光线以接收半角角度入射概率大,则考虑适当上移吸热器。(3)对吸热器进行优化,采用椭圆管吸热器替换圆管吸热器。替换后光学效率增加,且热流密度的峰值降低,当光线入射角度超过接收半角后,光学效率同圆管相比仍然较高,且在大的入射角度时还可以吸收太阳辐射能。(4)对优化后集热器中集热计算单元建立了数值模型,用FLUENT对比模拟并分析了不同倾斜角、太阳辐射强度对集热器热性能的影响。研究结果显示,集热器的集热性能随着太阳辐射强度的增加而升高;倾斜角不同时,集热器的集热性能变化很小,基本上没有影响;椭圆吸热器的集热效率均优于圆管吸热器;CPC起始点截取后,集热效率减少很小,实际工程应用中可以对CPC起始点截取,降低加工精度的要求便于制造和安装。(5)对CPC脉动热管太阳能集热器热性能进行了实验研究,结果发现,工质和集热器进口水温对脉动热管太阳能集热器集热性能影响较大,而在不同的倾斜角度下脉动热管太阳能集热器的集热性能变化不大。应用R134a工质的集热器热效率优于工质R123。集热器进口水温增加,集热器的集热效率下降。
【学位授予单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU83
【图文】：

分布图,太阳能资源,分布图

第 1 章绪论在中低温领域的利用主要是太阳能热水、制冷、采暖和海水淡化术中太阳能热水占主导，我国在中低温领域的利用也集中在这部府都加大了对太阳能技术的研发和推广应用。欧洲国家的太阳能规划中提出，太阳能在供热和供暖方面要满足 50%的能源供应量在太阳能热水器利用中重大变化是在农村市场方面日益普及对器的利用，实现太阳能热水系统与建筑一体化，同时相应制度在包括对新产品研发的支持和技术转型的政策扶持[5]。目前，我国能光热利用国家，其市场份额已经接近 80％。阳能在中温应用领域潜力很大。根据社会能耗需求统计的数据[总量的 70%以上，在热能需求中，温度低于 100 ℃利用量占总-400℃之间的需求占总热能的27%左右。按照温度段细分能量需求量的 74%以上（约占总量的 16%以上），从这个比例来看该温度能源需求总量的 14%。由此可以看到未来太阳能中温领域的研究方向的一个重点。

示意图,太阳能集热器,平板型,示意图

第 1 章绪论能集热器太阳能在低温集热范围的应用形式，同时也是太阳结构简单、生产难度低，减小了产品的前期投入，较低，寿命长，因此，平板集热器在整个生命周期器在集热领域被广泛应用。太阳能平板集热器的主、保温层和外壳，如图 1-2 所示。当系统运行时，表面涂的选择性图层吸收，被吸收的辐射能转化为盖板既透射太阳辐射又减少内部工质通过红外线散式向环境中散热，提高热效率。

【参考文献】