线性菲涅尔反射式太阳能集热系统研究

发布时间：2020-04-08 07:36

【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。
【图文】：

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山东少、学不吹i学位论文镜场的占地面积1301。澳大利亚悉尼大学13’32]提出了一种紧凑型线形菲涅尔反射术(CompaetLinearFresnelRefleetor，CLFR)，在一定程度上解决了遮挡和占的问题，如图1一3所示。但该技术主要适用于大规模太阳能热发电项目中，为了探索在菲涅尔反射一式中高温集热系统中最优的镜场布置形式，我们提出了将平反射镜场与复合抛物聚光器CPC复合考虑的新型两次反射聚光系统，该方法减小系统的光学损失并增加聚光比。寻求合理的菲涅尔反射镜场布置和CPC次聚光器结构优化方法是我们需要努力的方向。

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用高聚光比的cPc进行截取，节省材料，而且光学效率也有一定提高[47】。2.2线性菲涅尔反射式集热镜场优化布置原理菲涅尔反射式集热镜场的优化布置是提高系统光学性能的关键。图2一4是线性菲涅尔反射镜场的典型布置形式，镜场南北布置，接收器安装在镜场中心有一定高度的支架上，多组平面镜单元绕其中轴翻转，将太阳光反射到与其平行的中间接收器中。该形式将接收器与反射镜分离，跟踪太阳时只需水平旋转反射镜即可，减小了跟踪装置的负荷。但由于相邻反射镜间距和接收器本身体积的影响，线性菲涅尔反射系统普遍存在着遮挡和阴影问题，如何控制镜场宽度和接收器高度在一定合理范围的情况下，优化布置反射镜场以最大限度地减小系统的遮挡和阴影问题是我们研究的关键。汗N今哪 lllllll一一?
【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

【引证文献】