以耦合辅助措施增强太阳池热性能实验和数值模拟研究

发布时间：2020-09-21 18:27

　　在化石能源面临着资源枯竭、污染严重双重压力的背景下,可再生能源的开发与利用成为能源可持续发展的重要途径之一,对我国缓解目前面临的能源危机有着重要意义。国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006～2020年)将“可再生能源低成本规模化开发利用”作为能源领域的优先主题提出。太阳能作为一种清洁而又持久的可再生能源,对于节约常规能源、保护自然环境、减缓气候变化等,都具有极其重大的意义。以太阳能为主的可再生能源将是本世纪的主要能源,是人类未来能源的基石。太阳池是一种可以收集、储存太阳能,并作为低温热源对外供热的盐水池,具有普遍性、巨大性、长久性、无害性等优点。本论文以实验测量与数值模拟为主要手段,开展盐梯度太阳池集热系统的基础研究,探索利用改变太阳池结构、增设多孔介质材料、加盖层及太阳能集热器等多种方式,强化太阳池热性能。主要研究工作包括实验测量、数值模拟、太阳池能效分析三大部分,具体工作如下：(1)本文的实验研究包括实验室内基础性实验和室外太阳池实验两部分。实验室内基础性实验主要包括：多孔介质基本参数测量、多孔介质蓄热特性实验、多孔介质降浊特性实验、太阳池运行环境气象参数测量实验、辐射透射率测量等基础性实验,该部分实验结果可作为太阳池实验及数值模拟的边界条件,实验规律可为太阳池性能优化提供指导,从而为下一步的太阳池实验与模拟工作打好基础。室外实验采用多种方式增强太阳池热特性的对比实验,建立2个表面积为2.4m×2.4m、深1.2m的小型盐水太阳池,实验对太阳池的温度、浊度分布进行了测量,通过对实验数据的非线性拟合构建了辐射透射率混合回归模型；通过分阶段性对比实验,研究了向太阳池底部添加多孔介质、在太阳池表面加透明塑料膜覆盖,以及辅助太阳能集热系统的方法,讨论了三种方式对太阳池温度特性以及浊度的影响,探索强化太阳池热性能的途径。(2)数值模拟按照研究侧重点的不同分别采用一维数值模拟和二维数值模拟。一维数值模拟侧重于池内温度的变化、各部分热量损失分析以及多种强化措施下太阳池的热性能变化规律。二维数值模拟侧重于池内空间流场的分布规律,梯形壁面的二维传热规律分析,以及分界面的动态稳定性分析。一维模型基于实验数据建立了梯形盐梯度太阳池的热盐双扩散数学模型,以Matlab 7.0为平台,对表面积2.4x2.4m2、深1.2m的梯形盐水太阳池进行了一维数值模拟。模拟在充分考虑本地气候条件与太阳辐射的情况下,改进了池底反射模型,使辐射透射模拟结果更加合理；对现有散热模型加以改建,建立表面热损失、壁面热损失和土壤层热损失的详细模型,以此为边界条件研究太阳池的热性能与稳定性,对比表明计算值和实验值吻合较好；在此基础上,进行增强型太阳池的数值模拟研究。建立了多孔介质蓄热模型、太阳能集热器的热平衡方程及盖层模型,讨论各增强措施对太阳池热性能与稳定性的影响,并建立增强型太阳池一维预测模型,分析了增强型太阳池温度发展趋势。二维数值模拟建立了热盐双扩散数学模型,引入盐水密度、热源项、边界条件等自定义函数,对梯形太阳池进行了非稳态模拟研究。模拟以CFD商业软件Fluent13.0为平台,通过用户函数自定义(UDF)引入热源项、盐水密度函数、边界条件等,并利用自定义标量(UDS)构建盐度运输方程,建立了梯形太阳池的二维非稳态数学模型。将模拟结果分别与实验数据及文献中的模拟结果进行对比,从温度场和流场分布两个角度验证了模型的有效性,并进行了梯形池和矩形池在温度分布、散热损失、壁面温度等方面的对比。与一维模型相比,二维模型更着重于由双扩散对流、表面风速等现象对太阳池内部稳定带来的的影响及其引起的流型变化,分析了热盐双扩散条件下,梯形太阳池的内部温度场、流场的动态变化规律及分界面稳定特性。(3)太阳池效率分析包括能源效率分析与烟效率分析。以热力学第一定律和热力学第二定律为基础理论,结合能源效率与(?)效率的定义,对进、出太阳池各层的能源加以分析,建立梯形太阳池的能源效率与(?)效率表达式,进而分析梯形太阳池的能源效率与(?)效率。通过将梯形太阳池与矩形太阳池的比较,以及太阳池不同运行阶段的效率对比,分析太阳池能源利用效率。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TK512.4
【部分图文】：

降浊,多孔介质

姆琳嘛如逡逑（ａ）榐基逦（ｂ）^~基逦（Ｃ）内醋基逦（ｄ）酪}L基逡逑图２．１含氧官能团的化学结构逡逑Ｆｉｇ．２．１邋Ｔｈｅ邋ｃｈｅｍｋａｌ邋ｓｔｒｕｃＵＪｉ＊ｅ邋ｏｆ邋ｏｘｙｇｅｎ邋ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ邋ｆＵｎｃｔｉｏｎａ】邋ｇｒｏｕｐｓ逡逑煤基活性炭吸附微量有机物的主要原因是由于：在固体表面含氧基团与吸附质之间逡逑发生的给电子－受电子作用；石墨结构的ｎ电子与吸附质之间发生的质扩散作用；离子逡逑存在的静电吸引和推斥作用。而泡沫陶瓷和氧化铅小球的吸附主要是由其高的活性和大逡逑比表面积，吸附机理Ｗ多层离解吸附为主，但是其对金属离子吸附有选择性。逡逑２．１．２实验内容与方法逡逑（１）多孔介质材料孔隙率测量逡逑多孔材料按照其成分可分为无机多孔材特和有机多孔材料两大类，其中无机多孔材逡逑料包括金属多孔材料和非金属多孔材料，有机多孔材料则包括生物多孔材料和非生物多逡逑孔材料。本文采用的多孔介质材料为无机非金属多孔材料。本文实验所采用多孔介质材逡逑料是陶瓷小球、煤质活性炭、锅炉渣和ＳｉＣ泡沫陶瓷。其中，陶瓷小球分为直径为３ｍｍ逡逑巧８ｍｍ两种情况，巧Ｃ泡沫陶瓷分为大孔隙率和小孔隙率两种类型。逡逑为了确定多孔介质材料的基本物理参数，实验测试了多孔介质材料的堆积密度和孔逡逑隙率，为尽量减少实验误差，实验中各参数均采用了多次测量取平均值的方法。所用设逡逑备主要包括游标卡尺、容积为１００ｍｌ的量杯及ＢＳＡ－２２４Ｓ型电子天平

多孔介质,浊度

Ｆｉｇ．２．３邋Ｔｈｅ邋ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ邋ｏｆ邋Ｐｏｒｏｕｓ邋Ｍｅｄｉｕｍ邋（ＰＭ）邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋Ｔｕｒｂｉｄｉｔｙ逡逑（３）多孔介质的蓄热效果逡逑图２．４给出了加入相同热量的情况下，各多孔介质对水温的影响。可Ｗ看出，无多逡逑孔介质烧杯的最终温度明显低于有多孔介质的温度，说明义用多孔介质材料，可Ｗ达到逡逑很好的蓄热效果。各多孔介质材料的初始温度、体积相同，孔隙率相近，由图可知，在逡逑加入相同热量后，初始阶段泡沫陶瓷的温度最高，锅炉渣温度次之，煤质活性炭其次，逡逑自然堆积的陶瓷小球最低，不同多孔材料的初期温度由升到降的时间跨度逐渐变化，这逡逑是由于一部分热量存胆在多孔介质内，而各多孔介质材料质量与比热容不同导致出现温逡逑差。由热力学原理可知：多孔介质材料的整体热容越大，其存储的热量越多，则升高相逡逑同温度所需要的热量就越多，因此温度由高到低的顺序，也正是多孔介质整体热容从低逡逑至Ｉ搞的顺序。逡逑图２．４中没有多孔介质的烧杯初始温度最局

蓄热特性,多孔介质,锅炉渣,成本

大连理工大学博±学位论文明不添加任何多孔介质情况下，温度降低幅度最大。对于实验中所用的几，从经济性的角度来看，泡沫陶瓷的成本最高，而锅炉渣的成本最低。逡逑

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