线聚焦腔体聚光系统光学特性及集热性能研究

发布时间：2020-08-14 08:40

【摘要】：太阳能槽式聚光系统几何聚光比范围较宽,具有易于规模化阵列布局、占用土地面积小、安装检修较为方便等优点,能满足工业和民用高、中、低温的用热需求,因此太阳能槽式系统已在诸多国家获得了广泛应用。吸收器作为太阳能槽式系统的重要部件,目前太阳能槽式系统吸收器多采用传统的金属直通式玻璃真空管吸收器,这种吸收器内部拥有真空夹层有效降低了热损失,虽然玻璃与金属之间密封性问题已基本得到解决,但其长时间高效集热运行仍然是一个技术难题,且这种吸收器容易破损,成本较高。而太阳能槽式聚光系统采用腔体式吸收器不需采用真空夹层密封技术,且价格便宜,运输方便,因此本文开展了基于太阳能槽式线聚焦腔体聚光系统光学特性及集热性能的理论、模拟、实验研究,主要研究工作包括:(1)基于几何光学原理,构建了槽式聚光反射镜面玻璃厚度对太阳光线偏移效应的物理模型,并对所构建的物理模型进行了数值计算和实验验证。研究结果表明太阳能槽式系统反射聚光镜在会聚太阳光线的过程中,焦平面的主要能量由来自于反射镜上表面的直接反射和反射镜下表面反射层的间接反射的能量组成,聚光镜玻璃厚度为5 mm时,聚光镜内部对太阳光线的吸收率只有1.98%。在系统焦距为1200 mm,聚光镜玻璃的折射率为1.6的槽式系统中,距离槽式系统中心位置为1700 mm处,聚光镜玻璃为1 mm厚的槽式系统在焦平面的半焦线宽度为25.7 mm。(2)理论分析了腔体吸收器表面所接收的能流分布特性对环境辐射热损失性能,投射到其表面的太阳辐射能相等时,太阳辐照度分布越趋向于均匀,吸收器表面的热辐射损失越小,反之越大,并以此建立了腔体吸收器光学性能评价的双重标准计算方法,包括光学效率和腔体吸收器表面辐照度标准差。基于所建立的腔体吸收器光学性能的评价方法,采用正交实验对腔体吸收器的光学性能进行了优化设计,结果表明优化设计的腔体吸收器开口宽度为70 mm、深宽比为0.80:1.00、焦距率为98.75%,其光学效率为89.21%,腔体吸收器吸收面的辐照度标准差为30528,具有黑体黑腔效应特性。进入腔体吸收器内部未被吸收的部分光线,经过二次反射后,可被腔体吸收器吸收表面所截获。(3)基于太阳能光热转换原理与基础理论,构建了正交实验优化设计的腔体吸收器一维稳态光热转换模型,数值计算揭示了腔体吸收器的光热转换效率随腔体吸收器内工质温度的特性,研究结果显示截距集热效率达到了79.66%,腔体吸收器内部工质温度为203.7℃时,系统集热效率理论计算值和实验测量值分别为41.63%和38.15%,相对误差为8.36%。(4)针对腔体吸收器的太阳能槽式聚光系统工业应用方面,开展了对典型晴朗天气条件下腔体吸收器的太阳能槽式系统直接产生蒸汽特性研究,发现太阳平均直辐射为805 W/m2时,系统平均集热效率为51.48%;对典型多云天气条件下腔体吸收器的太阳能槽式系统直接产生蒸汽实验测量发现太阳平均直辐射为430 W/m2,系统平均集热效率为49.84%。针对腔体吸收器的太阳能槽式系统直接产生蒸汽经济性效益研究发现腔体吸收器的回收期为6.97年,采用该腔体吸收器的太阳能槽式系统直接产生蒸汽在工业应用具有经济可行性。(5)为进一步提高腔体吸收器的集热性能,对腔体吸收器的太阳能槽式系统进行了优化设计,优化后系统采用水为工质时,集热温度达到92.5℃时,系统运行效率达到了54.66%,这一集热效率已达到真空管吸收器的水平。在同一太阳能槽式集热系统上开展了腔体吸收器与金属直通式真空管吸收器中温集热性能比较实验,研究结果显示太阳能槽式系统采用导热油为工质时,集热温度为180℃-200℃,系统采用腔体吸收器和金属直通式真空管吸收器的集热效率分别为40.02%和42.44%。
【学位授予单位】：云南师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK513
【图文】：

年送给地球的辐射能相当于人类消耗能源总和的一万倍。因此太阳能辐合理开发与利用是实现能源可持续发展最为直接的方式之一，对全球社具有积极重要的意义[8-13]。表 1.1 2006 年和 2030 年全球各种能源消耗在工业能耗中所占的比例（%）能源种类 石油 天然气 煤 电能 可再生能源2006 34.56 24.14 24.81 14.95 1.542030 28.62 25.59 24.32 19.70 1.77由于太阳能辐射资源的波动性，导致了太阳能辐射资源在世界各地的时间上分布是变化的，为了定性的表述各地太阳能辐射资源的情况，在太资源分类方面，气候气象学家基于太阳辐射资源在经度和纬度间的差异将全世界的太阳辐射资源划分为四个气候带，其中我国的太阳能辐射资分布见图 1.1。

学博士学位论文 第公司、皇明太阳能股份有限公司、鑫诺太阳能管业有限公司等同样这些公司所生产的金属直通式真空管亦存在成本较高的问，可将之间的抽真空处理所需的高难度技术舍弃，金属与玻璃种腔体式吸收器简化了生产工艺，但也会导致其所搭载系统的效十年以来，国际社会关于线聚焦型吸收器所开展的研究十分广型的吸收器，Boyd[35]提出了吸热面为开口圆柱形设计的线聚为了减少腔体吸收器外壁对环境的对流和辐射热热损，在腔体了圆弧形的保温层，见图 1.2。

了圆弧形的保温层，见图 1.2。图 1.2 Boyd 提出的吸热面为开口圆柱形的腔体吸收器a[36]对 Boyd 所提出的腔体吸收器进行了结构的改进，在腔体吸吸热圆管，为了减少腔体吸收器开口处的热损失，在腔体吸收了具有温室效应作用的玻璃镜，见图 1.3。

【共引文献】

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本文编号：2792791