碟式太阳能吸热器光学性能及换热特性的数值研究

发布时间：2020-11-12 14:25

　　 太阳能光热发电技术缓解了不可再生资源枯竭、生态破坏与人类对能源需求量日益上升之间的矛盾。太阳能光热发电技术包括槽式太阳能光热发电技术、塔式太阳能光热发电技术和碟式太阳能光热发电技术,其中碟式太阳能光热发电技术以其布局灵活、可模块化、适合建立分布式能源系统等优点受到各国政府及学者的青睐。吸热器作为碟式太阳能光热发电系统的关键部件,其腔体形状以及在运行过程中存在的光学损失和换热损失会严重影响整个系统的工作性能,因此,吸热器是碟式太阳能光热发电系统的研究重点,对它的研究具有重大意义。本文建立了基于蒙特卡洛法的光学追踪模型以及基于有限容积法的三维传热模型,利用TracePro光学模拟软件和Fluent数值模拟软件对复合圆台形吸热器光学性能及换热性能进行探讨。首先,对复合圆台形吸热器腔体和球形吸热器腔体的光学性能进行比较,之后以光学性能较好的复合圆台形吸热器腔体为研究对象,探讨了腔体内壁面吸收率、聚光镜反射率及太阳辐照强度等光学参数对其光学性能的影响。同时也得出了反射锥锥角、采光口与聚光镜焦平面之间的距离以及石英光学窗口厚度等几何参数对复合圆台形吸热器腔体光学性能的影响规律。其次,针对吸热器内壁面能流分布不均匀的情况,利用TracePro软件得到吸热管壁能流分布,并将其作为传热模型的热源,考虑吸热器与吸热工质熔盐以及环境空气之间导热、对流、辐射的耦合换热,利用Fluent软件得到无光学窗口和加装光学窗口的复合圆台形吸热器在不同吸热器倾角下的各项热损失、热效率及系统光热转化效率。最后研究了非均匀热流下熔盐入口速度、熔盐入口温度及辐照强度对无光学窗口的复合圆台形吸热器换热性能的影响。研究结果表明:与球形吸热器腔体相比,复合圆台形吸热器腔体具有较好的光学性能;吸热器腔体形状对系统光学效率的影响较小,但对腔体内壁面能流密度分布的影响较大;复合圆台形吸热器腔体内壁面吸收率及聚光镜反射率增大时,复合圆台形吸热器总光通量和系统光学效率均呈上升趋势;辐照强度增加时,复合圆台形吸热器总光通量增大,但系统光学效率没有变化;反射锥锥角会影响复合圆台形吸热器腔体光线数、腔体光通量和系统光学效率,复合圆台形吸热器腔体在反射锥锥角为160°时具有最大光通量和系统光学效率;采光口与聚光镜焦平面之间的距离从-100mm变化到100mm时,侧面面光通量和系统光学效率都呈正态分布,距离在-30mm到0mm时,光学窗口厚度对侧面光通量及系统光学效率影响较小。复合圆台形吸热器加装光学窗口后,吸热管壁能流密度下降,但分布规律基本没有变化;各项热损失随吸热器倾角的增加而减小,其中对流热损失对倾角的变化比较敏感,加装光学窗口后,各项热损失下降速度减缓;光学窗口的存在使得吸热器热效率有所提高,但是系统光热转化效率却有一定幅度的下降;熔盐出口温度、正面管壁平均温度及各项热损失随熔盐入口速度的增加而逐渐下降,随熔盐入口温度及辐照强度的增加而逐渐上升;吸热器热效率随熔盐入口速度的增大而增大,随熔盐入口温度的提高而减小,随辐照强度的增强呈先增加后减小的趋势,而且熔盐入口速度越大,使热效率开始减小的辐照强度越大。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TK513;TM615
【部分图文】：

太原理工大学硕士研究生学位论文热发电系统利用大量独立定日镜将太阳光线反射中吸热工质吸收热量后进入蒸汽发生器与水发生热汽轮机发电，见图 1-2。热发电系统中有大量定日镜，因此，塔式太阳能热1500，运行温度达到 1000°C，属于高温发电。光热发电系统热发电系统利用碟状的抛物面反射镜将太阳光线聚辐射加热吸热工质，吸热工质与蒸汽发生器中的工汽轮机发电，见图 1-3。发电系统聚光比高达 3000 以上，系统运行温度可

辐射加热吸热工质，吸热工质与蒸汽发生器中的工汽轮机发电，见图 1-3。发电系统聚光比高达 3000 以上，系统运行温度可图 1-1 槽式太阳能光热发电Fig. 1-1 Trough solar thermal power generation

图 1-3 碟式太阳能光热发电Fig. 1-3 Dish solar thermal power generation碟式太阳能光热发电系统在电站规模、聚光比、运异，三种太阳能光热发电系统的性能对比见表 1-1相比，碟式太阳能光热发电系统聚光比和运行温度太阳能光热发电系统因其单机容量较小，一般为 5块化，适合建立分布式能源系统[3-6]。近年来，碟式政府及众多学者的关注。建立太阳能热发电示范站提出后，国内外学者对碟式光热发电系统的关键技电技术将愈加成熟。表 1-1 三种光热发电方式的对比b. 1-1 Comparison of three types of solar thermal power genera发电方式槽式 塔式
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本文编号：2880845