槽式复合多曲面太阳能聚光集热系统性能研究

发布时间：2020-08-22 13:40

【摘要】：化石能源短缺以及无节制使用化石能源所带来一系列环境问题,是现代人类社会面临的最严峻的挑战之一。寻找可缓解甚至替代化石能源的清洁可再生能源已迫在眉睫。太阳能总量庞大、分布广泛、获取方便,被认为是最有前途的可再生能源之一。但也存在着能流密度低、空间分布不均匀、工作时间不连续等缺点,因此就需要聚光集热技术对太阳能进行汇聚以提高热能品位。现有的点、线聚焦聚光集热器虽然可以提高集热温度,但其对跟踪精度的要求也很高,进而增大了太阳能利用系统的建设、运行和维护成本,不利于市场化推广。为此,本文设计了一种可用于中低温利用、接收半角大、对日跟踪要求低的槽式复合多曲面聚光器(Compound Parabolic Concentrator,CPC),并对其展开了如下方面的研究:首先,通过设计计算得到了构成聚光器的抛物线方程,利用SolidWorks软件建立了聚光器三维模型,并导入到光学仿真软件中,模拟研究了接收体位置、光线入射偏角和对日跟踪误差对聚光器性能的影响,结果表明,CPC光线接收率和聚光效率均随着接收体距离底部高度增加呈先增加后减小的趋势,对于给定规格的接收体存在最优的安装位置。聚光器光线接收率和聚光效率随光线入射偏角和太阳方位角跟踪误差的增大呈减小趋势,当光线入射偏角增大到8°时,接收体表面的光线接收率仍可达75.87%;相比而言,太阳方位角跟踪误差对聚光器性能的影响较大,当太阳方位角跟踪误差为8°时,聚光器的光线接收率仅为35.31%。其次,根据所设计的CPC结构,通过机械设计加工制作了聚光器实物,并基于光学仿真结果,在呼和浩特地区搭建了聚光器光热性能测试平台,在实际天气下,分别试验研究了换热介质为导热油和空气时,聚光器安装倾角、太阳辐照度、换热介质流速、玻璃盖板等对聚光器性能的影响,结果显示,当导热油进口油温相同时,正入射的出口油温高于光线入射偏角为10°的出口油温约3℃左右。CPC光热转换效率随导热油质量流量减小而增大,质量流量为100 kg/h时,正入射的CPC瞬时光热转换效率为65.04%。聚光器的进出口温差随空气流速的增加而降低。在实际运行工况下,安装倾角为40°聚光器的进出口温差最大可达9.4℃,比同时刻安装倾角为30°的聚光器进出口温差高约2.5℃。玻璃盖板对聚光器聚光集热性能的影响很大,有盖板聚光器的进出口温差最大可达11.3℃,比同时刻无盖板的要高出7.9℃。有玻璃盖板聚光器在正午时达到最大效率值55%,是无盖板聚光器效率最大值的1.53倍。最后,为了进一步增大CPC的接收半角,降低聚光器对跟踪精度的要求,在现有CPC的设计基础上,基于目标参数,通过对抛物面进行旋转、平移的方法得到了一种高宽比约为1,聚光比约为2,且组成CPC的抛物线焦点在聚光器出光口以下的非成像CPC。通过SolidWorks建立了聚光器模型,并将其导入到了光学仿真软件中,进行了光学性能分析,得到聚光器的最大接收半角为25°,大于原聚光器接收半角。
【学位授予单位】：内蒙古工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK513.1
【图文】：

聚光器,点聚焦,太阳能聚光器,太阳能利用

图 1-3 聚光型太阳能聚光器分类Fig.1-3 Classification of concentrating solar energy collector（1）点聚焦聚光器点聚焦聚光器的聚光比很大，通常用于高能流密度的太阳能利用场合，如碟式发电系统、碟式高倍聚光光伏系统、菲涅尔高倍聚光光伏系统、塔式聚光热发电系等等。碟式聚光集热器（Parabolic Dish Collectors, PDC）是典型的点聚焦聚光集热器它的聚光比通常在 1000 以上。在高能转换系统中，碟式聚光集热系统的集热高温超过 1500 ℃。在碟式热发电系统中，碟式聚光集热系统聚集太阳能加热工质以驱热机转化为机械能，进一步带动发电机产生电能。斯特林发动机被广泛的应用于碟热发电系统中，使用布雷顿循环或朗肯-布雷顿联合循环的汽轮机也可用于此类系统斯特林发动机在相对较低的温段（<950 ℃）性能更好，而汽轮机在高温段性能更佳[5Chong K K 将碟式聚光器与聚光光伏光热系统进行了结合，系统总光电转化率高达17%[6]。碟式聚光器的主要缺陷表现在跟踪精度要求高，储热能力小、聚光光伏系中散热机构安装困难、聚光系统与其它集热系统匹配度小等，使其应用领域局限于

太阳能热发电系统,点聚焦

图 1-4 单碟式太阳能热发电系统Fig. 1-4 Single-dish solar thermal power generation system聚光系统（Fresnel Lens），相比其它类型的聚光器，因于制造、在重量和体积上比一般透镜更轻、更薄，在距比等优点，在聚光光伏（CPV），特别是高倍聚光[7]。研究表明：基于成像的点聚焦菲涅尔透镜的聚光以达到 30%[8]。但菲涅尔点聚焦聚光光伏系统也存在运行维护困难等缺陷，并不适于推广应用。

点聚焦,光伏系统

【参考文献】