碟式太阳能吸热器的性能实验研究

发布时间：2020-07-02 05:55

【摘要】：太阳能是一种能量巨大、遍布世界且无污染的可再生能源，所以在环境污染日益严重和常规能源日益短缺的今天，太阳能受到了各国的普遍重视。 太阳能热发电是一种高效大规模利用太阳能的方式，目前主要有槽式、塔式和碟式三种。与槽式和塔式太阳能热发电相比，碟式太阳能热发电系统启动损失小，光电效率高达29.4%，在三种发电系统中位居首位，因而碟式太阳能热发电系统成为了人们关注的焦点。作为碟式聚光太阳热发电系统的核心部件之一，太阳能吸热器的作用是将聚光器反射聚集的太阳能最大限度的吸收并传递给热媒，其吸热性能直接影响光热转换效率进而影响到整个热发电系统的可靠性和经济性，因此研究吸热器有非常重要的意义。 本课题首先提出了一种新型腔式吸热器，继而研制了包含新型腔式吸热器在内的碟式太阳能集热系统，初步研究了碟式太阳能热发电系统集热性能并分析了腔式吸热器的吸热性能。 本课题的主要研究内容和结果如下： 1.鉴于腔式吸热器的热损失在碟式太阳能热发电系统总损失中占有很大的比例，综合考虑与吸热器热损失相关的因素、吸热器的形状以及内部传热元件对腔式吸热器热性能的影响，本课题研制了一个整体半球状腔式吸热器，腔体外面包有保温材料。吸热器采光口面积与内表面积的比为1:8，采用八根180mm长、外径14mm、壁厚2mm的重力式热管作为吸热器的传热元件，它们均匀在半径为85mm的圆周上，安装倾角为15°，吸热器腔体内的热管部分长90mm，蒸发吸收聚集的太阳辐射能，保温层内是长40mm的绝热段。在热管内部充有无机换热工质。在热管蒸发段涂有Pyromark2500选择性吸收涂层。 2.在兰州市皋兰县建成了包含新型腔式吸热器在内的碟式太阳能集热系统，初步研究了腔式吸热器的性能。2011年11月29日、2011年12月1日、2011年12月5日以及2011年12月22日（冬至）的实验结果表明：吸热器的腔体中心温度、采光口中心温度、吸热功率以及光热转换效率都与太阳直接辐射强度的变化趋势保持一致，首先随时间逐渐上升，达到最大值后开始下降，而且腔体中心温度和采光口中心温度的最大值总是出现在太阳直接辐射强度最大值出现的附近。分析发现，光热转换效率的最大值通常出现在吸热功率最大值的附近。在太阳直接辐射量为505.5W/m~2时，吸热器的吸热功率为1686W，热效率为80.6%，即表明本腔式吸热器具有良好的吸热性能，实验所涉及的太阳直接辐射强度是影响碟式太阳能集热吸热系统中吸热器的吸热功率和热效率的重要因素，文中最后分析了本实验系统出现的问题并提出了相应的解决办法。 本课题的创新点是研制了新型腔式吸热器并初步揭示了新型腔式吸热器的吸热性能。 碟式太阳能热发电系统是一种结构简单、布局灵活、发电效率高、系统优化潜力和成本降低潜力大、初始投资少、应用前景广的太阳能热发电系统，国内外关于该系统的研究很少。本课题设计了一个新型腔式吸热器，并在兰州的天气条件下进行了初步性能实验，研究成果对碟式太阳能发电技术的试验示范和推广应用有重要的参考价值。 本课题的研究得到了国家自然科学基金项目（51166008/E0607）、国家科技部星火计划重点项目（2010GA860004）、国家科技支撑计划课题（2011BAD15B03）、甘肃省教育厅项目（0803-06）、“陇原青年创新人才扶持计划”项目（09-0165）、甘肃省建设科技攻关项目（JK2010-29）、甘肃省科技支撑计划（1011GKCA030）、甘肃省高等学校基本科研业务费（09-0258）和兰州理工大学“红柳杰出人才计划”（Q201101）的共同资助。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK513
【图文】：

将中国划分为 4 个太阳能资源带，如图 1.1，表 1.1 是这 4 个太阳能资源带的辐射量指标[2]。表 1.1 中国 4 个太阳能资源带的年曝辐射量Fig.1.1 Four solar energy resources with the amount of year’s radiation exposure in China资源带号 资源带分类 年曝辐射量（MJ/m2）Ⅰ 资源丰富带 ≥6700Ⅱ 资源较丰富带 5400～6700Ⅲ 资源一般带 4200～5400Ⅳ 资源缺乏带 ＜4200

识地不断提高，太阳能光伏发电越来越受到各国政府的重视。科研投入不断增多，鼓励和支持光伏产业发展的政策也不断出台，加大了光伏产业的人才培养和能力建设，极大地促进和推动了光伏产业的发展。然而太阳能光伏发电具有不可忽略的缺点。光伏发电需要很大的面积，且所需成本太高，远不能满足大规模推广应用的要求；另外太阳能光伏发电的转换效率较低，这依旧是国家乃至世界研究组一直以来希望妥善解决的问题，因此，和光伏发电相比，太阳能热发电是可再生能源发电中最有前途的发电方式，是太阳能利用的一个非常重要的方面。1.1.3.2 槽式太阳能热发电系统槽式太阳能热发电主要是借助槽型抛物面聚光器将太阳光聚集反射到接受聚热管上，通过管内热载体将水加热成蒸汽，推动汽轮机发电[4]，如图 1.2 所示。收集装置的几何特性决定了槽式太阳能热发电系统的聚光比较小，通常在 10～100之间，运行温度达 400℃[5]，属于中温发电。

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