菲涅尔反射式点线耦合聚焦太阳能光热转换特性理论与实验研究

发布时间：2020-04-20 06:26

【摘要】：新型高效的聚光集热理论与系统结构优化对提高BD塔式系统光热转换效率尤为重要,以系统光学效率优化以及接收器光热转换性能的改善为目标,探索高聚光性能、低成本定日镜,与之相匹配的高效BD反射镜结构。本文围绕一种新型的菲涅尔反射式点线耦合聚焦太阳能集热系统,以光学和热学为理论基础,以MCRT光学分析模型、MCRT与CFD耦合三维计算模型以及基于多参数的通用型热迁移因子一维分析模型为核心,着重分析基于线菲定日镜的点线耦合聚焦太阳能集热系统的光能传输机理与光热转换特性,具体开展了以下工作:首先,构建了点线耦合聚焦集热系统,阐明了该系统的聚光原理以及线菲定日镜、BD反射镜,以及CPC腔体接收器的几何光学结构。在此基础上,推导出了点线聚焦系统定日镜的追日方程,充分考虑太阳张角(太阳锥角)、反射过程中的光学表面误差等因素对光能传输过程的影响,建立了基于MCRT算法的点线耦合聚焦系统的光学分析模型,形成了适用于点线耦合聚焦集热系统光学性能评价指标。基于MCRT光学分析模型,通过与传统BD塔式系统的对比研究,明确了点线耦合聚焦集热系统在聚光性能与光学效率方面的独特性。其次,对比分析点线耦合聚焦系统的光学特性可知:双轴跟踪线菲定日镜继承了传统线菲聚光器的优点,具有抗风性好、结构简单的优点。与常规平面定日镜相比,线菲定日镜具有更小的上、下焦斑尺寸,在聚光比方面具有明显优势,最高局部聚光比约为常规定日镜的4倍,且具有更小的焦斑尺寸。受到CPC旋转对称结构的影响,线菲定日镜的最优长宽比为1:1。线菲定日镜虽在阴影遮挡效率上略低于矩形与方形平面定日镜,但在溢出效率方面具有明显优势。从系统光学效率结果对比发现,基于线菲定日镜的点线耦合聚焦系统光学效率远优于常规镜,约为方形镜光学效率的3.4倍。针对小规模镜场,对比分析圆柱面反射镜系统与双曲面反射镜系统的跟踪误差、象散特性、以及光学效率。圆柱面系统的滚转角与俯仰角跟踪误差都小于双曲面系统,考虑溢出效率,圆柱面反射镜系统的光学性能远高于双曲面系统,且无需与CPC配合使用,更适合小规模点线耦合聚焦集热系统。第三,建立了两种点线耦合聚焦集热系统的光热转换分析模型,分别为基于热迁移因子理论的一维分析模型以及基于MCRT与CFD耦合的三维分析模型。提出了基于多参数的通用型热迁移因子理论,改进和完善了传统热迁移因子模型,相比传统热迁移因子模型,改进型热迁移因子对相关参数变化的反应更灵敏。搭建了基于圆锥形腔体接收器的小规模点线耦合聚焦集热系统实验平台,对圆锥形腔体接收器的集热性能进行了实验分析,获得了归一化热效率公式,确定了光学效率及热损失相关参数。基于上述实验数据,在相同的初始与边界条件下,比对了实验值与理论分析值之间的误差,误差分析表明本文建立的两种分析模型具有较高的可信度,三维分析模型的相对偏差范围为-3%?15%,一维分析模型的相对偏差范围为3.8%?25%,能够较为准确地反映点线耦合聚焦集热性能。第四,分析了线菲定日镜与传统定日镜在最小占地空间上的关系,经与传统定日镜相比,线菲定日镜可节约(1-2/π)的占地面积。线菲定日镜与传统定日镜追日方式不同,在Δθ=0°的排布结构下线菲定日镜与接收器的相对空间结构最佳,光学匹配性最好。通过分析线菲定日镜场独特的布局结构,明确了镜场余弦效率、大气透过率、相邻子镜的阴影与遮挡损失、相邻线菲定日镜的阴影与遮挡损失、BD反射镜的阴影影响,以及接收器的溢出损失在镜场中的分布规律。基于该规律,采用GA算法与太阳花盘仿生排布耦合方法获得了最优的镜场排布结构及参数为a=7,b=0.55,在该参数下,由780组线菲定日镜、15600m2采光面积组成的镜场具有最优的光学效率约为0.543。第五,基于多参数的通用型热迁移因子分析以及MCRT与CFD耦合的三维分析方法,针对不同镜场规模下的点聚焦腔体接收器的光-热-流-固耦合能量转换性能进行了详细分析。锥形螺旋管接收器与小规模镜场的最佳匹配圆锥角为100°。对与规模化镜场相匹配的CPC腔体接收器分析发现:随着宽高比的增大,圆柱型与圆锥型腔体接收器的集热效率均逐渐增大,并且随入口空气温度的升高进一步减小;在相同条件下,圆锥型腔体接收器的通用型热迁移因子大于圆柱型,圆锥型腔体接收器的集热效率略高于圆柱型。半球型接收器因吸收表面能流分布较均匀,其吸收表面温度分布比圆柱面更均匀。仿吸收面型的玻璃面盖结构可有效削弱腔内自然对流,并且随着入口空气温度的升高,削弱效果越加明显,可提高集热效率约6%;随着两个分体面盖间距增大,腔体与外界环境的热损失增大,导致集热效率逐渐下降,其中半球型接收器的集热效率与其它两种结构相比,具有明显优势。随着入口空气温度的升高,三种腔体接收器的集热效率都相应减小,此时,半球面型腔体接收器与圆锥形腔体相比高出5%,比圆柱型腔体接收器高出约9%的集热效率,三种腔体接收器的通用型热迁移因子都呈现指数型下降趋势,半球型腔体接收器的热迁移因子优于其他两种结构;随着体积流量增加,三种腔体接收器的集热效率增加,获得最佳体积流量为41m3/s;流量的提高对于改善通用型热迁移因子的效果尤为突出,并且在25~41m3/s流量区间内,流量改变对热迁移因子的影响更为敏感。三种腔体接收器的集热效率都DNI的增大而减小,其通用型热迁移因子都相应增大,逐渐偏离理想状态。半球型腔体接收器因具有最均匀的吸收表面能流分布特性,集热性能较优,与规模化镜场光热转换匹配性最好。
【图文】：

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分为点聚焦和线聚焦两大系统。图 1 2 给出了四种 CSP 技术的聚光原理，可以看出线菲和槽式属于线聚焦技术，而塔式和碟式则属于点聚焦技术。在四种 CSP 技术中，碟式技术的聚光比最高（1000—3000），塔式次之（300—1000），槽式（70—80）和线菲（25—100）相对较低。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK513.1

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