菲涅尔二次反射塔式太阳能系统聚光集热性能实验研究与优化

发布时间：2020-06-23 14:54

【摘要】：二次反射塔式聚光集热系统作为太阳能热利用的重要形式,具有光热转换效率高、结构简单、抗风性能优越等特点,在提供中高温热能、替代传统化石能源方面具有很大的潜力。本文对基于翅片型吸热器的线性菲涅尔二次反射塔式太阳能聚光集热系统的光学特性和集热性能进行了理论分析和实验研究,主要的研究内容概括如下:1.首先根据太阳位置模型和线菲定日镜理论追踪模型,建立以MCRT算法为基础的光线追踪模型分析影响二次反射塔式聚光系统光学效率的各个因素;然后对集热系统光热转换过程进行理论分析,推导了翅片型吸热器的效率因子和热迁移因子,作为吸热器性能的评价指标。2.对二次反射塔式聚光集热系统的聚光特性和集热性能进行了实验研究。根据二次反射塔式系统的光斑特性,搭建基于翅片型吸热器的集热回路,实验测试了翅片型吸热器不同进口温度和进口流量下的集热量和相应的热损失:1)进口流量为580L/H时,导热油平均温度为90.6℃,集热效率44.93%;导热油平均温度为182.8℃,集热效率28.31%;吸热器的热损失由109.77W增加到1465.13W;2)进口流量为400L/H时,导热油平均温度为91.4℃,集热效率42.59%;导热油平均温度为183.0℃,集热效率26.65%;吸热器的热损失由123.79W增加到1621.87W。并且拟合出翅片吸热器的集热效率和归一化温度的二次曲线关系和热损系数随进口温度与环境温度之差的线性关系;通过?分析,得到400L/H流量下的最佳运行温度为142℃,500L/H流量下的最佳运行温度为145℃;根据上述结果推导得到二次反射塔式聚光系统光学效率的时变特性和实验工况下翅片型吸热器的效率因子F’和热迁移因子F_R:聚光系统的光学效率在正午附近达到最大为58.42%;受翅片吸热器热损失的影响当工质的进口流量为580L/H时,随进口温度的升高热迁移因子F’从0.877变化到0.759,热迁移因子F_R从0.857变化到0.748;当工质的进口流量为400L/H时,随着进口温度的变化翅片吸热器效率因子F’从0.864变化到0.736,热迁移因子F_R从0.844变化到0.724。3.通过MCRT光线追踪算法,模拟不同时刻影响聚光系统光学效率的因素发现:聚光系统主要受到定日镜本身的阴影效率和余弦效率的影响;通过聚光系统的年均光学效率对二次反射塔式镜场结构参数的优化分析,得到最优的值:H=15m,L=5.35m,然后再次利用MCRT光线追踪模型模拟得到实验某天内聚光系统优化之后的光学效率,最高提升11.2%。4.根据MCRT和CFD的耦合三维分析模型分析聚光系统光热转换过程中翅片型吸热器的集热性能,并且通过对比实验工况下吸热器的集热效率、热损失等参数,验证三维分析模型的正确性;并且根据模拟得到翅片吸热器内流动换热参数获得模拟工况下翅片型吸热器的效率因子F’和热迁移因子F_R。然后,利用MCRT和CFD耦合的三维分析模型优化得到吸热器内最佳的进口流量670L/H;根据优化之后的镜场参数和吸热器的最佳运行工况,模拟得到聚光集热系统优化之后的集热效率:和相同实验工况下的结果相比,翅片型吸热器的集热效率最高增加了21.32%,和优化之前和模拟结果相比,翅片型吸热器的集热效率最高增加了14.51%。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK513.1
【图文】：

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交通大学硕士学位论文第 1 章绪论第1章绪论1.1 研究的背景和意义21 世纪随着社会经济的迅猛发展使得能源的供应日渐紧迫，且逐年增加，目前人类大量使用的能源仍以石油、天然气和煤炭等化石能源为主，受到传统石能源存储量的有限性以及在使用过程中产生的二氧化碳都将导致日益严重能源危机、全球气候变暖的不利局面，将严重破坏人类赖以生存的生态环境。

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光伏和风力在我国的非水电可再生能源发电量中占主导地位，截止到 2015 年光伏和风力发电在全国总发电量中的占比总和为 4%，虽然太阳能光热发电在我国起步较晚，发展尚处在初期试验示范阶段，但是太阳能是可再生能源中潜力巨大的一次能源，其辐射量大、覆盖范围广泛，从当今科技的发展趋势来看，开发利用太阳能技术的进步或许决定着未来人类的生活方式[5]，并且随着十二五期间太阳能光热技术和相关示范项目经验的积累，我国绝大多数企业已渗透到整个光热发电产业链的各个环节[6]。为此，2015 年 9 月到 12 月国家能源局先后下发相关文件，指出：到 2020 年底要实现太阳能光热发电总装机容量达到 10GW；2016 年 4 月发布的《能源技术革命创新行动计划（2016～2030 年）》，明确提出高效太阳能利用技术创新2020年发展目标之一是掌握50MW级塔式太阳能光热电站的整体设计及关键部件制造技术；2016 年 9 月 2 日，国家发展改革委员会发布布《关于太阳能热发电标杆上网电价政策的通知》，核定太阳能热发电标杆上网电价为每度电 1.15 元。随着相关激励政策和扶持电价的出台，为太阳能光热电站在我国的应用与发展起到极大的促进作用。

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