太阳能空气高温集热与陶瓷蓄热的数值模拟和试验研究

【摘要】：随着能源危机和环境问题的加剧,可再生清洁能源的开发利用越发受到重视。太阳能作为清洁、丰富的可再生能源,在全世界范围内越发受到关注。聚光太阳能热发电技术发电效率高,可以通过蓄热实现昼夜连续发电,增加了发电系统的稳定性。针对一般太阳能集热和储热温度不高等问题,开展基于空气介质的高温集热和陶瓷蓄热的试验研究和数值模拟。建立泡沫陶瓷容积式集热接收器、盘管腔式集热接收器以及两者结合的复合式集热接收器等三种不同结构的空气高温集热系统,在太阳能模拟灯下开展试验研究。考察空气流量、流动方向、吸热材料厚度、玻璃盖板、空气压力等参数对于集热接收器出口空气温度的影响,分析集热接收器类型对温度场分布和集热效率的影响规律。结果表明,随着流量的增加,空气出口温度逐渐降低,热效率随之升高：正向流动的出口空气温度高于反向流动,两者温差约为100℃,热效率也较高。复合式集热接收器的热效率最高,泡沫陶瓷容积式集热接收器的热效率最低,在相同流量下复合式集热接收器的热效率较泡沫陶瓷集热接收器高～18%左右。试验中,在平均入射光强170kw/m。条件下,复合式集热接收器的出口空气温度最高可达604℃(1m3/h),集热接收器热效率最高可达70.9%(7m3/h)。在数值模拟方面,首先采用ASAP光学模拟软件,建立太阳能模拟灯的光路模型,利用朗伯板测试系统验证光源模型的正确性,进而研究不同集热接收器内部的聚焦光斑能流分布基本规律。将光斑实际分布作为集热接收器内传热数值模拟的热边界条件,建立光热耦合模型。模拟结果的出口空气温度值略高于试验值,两者偏差基本在5%以内,这主要是由于模型中忽略了集热接收器底部的散热损失。数值模拟结果表明：随着空气流量的增大,出口空气温度线性降低,集热接收器的热效率随之增加；随着入射光强的增大,出口空气温度随之升高,而集热接收器的热效率随之降低。入射光斑的分布情况会较大程度的影响气固温度场的分布。泡沫陶瓷吸热体厚度的增加会延缓系统达到热平衡状态的时间。基于集热接收器的能量平衡模型分析集热接收器的热效率及各项热损失,当空气流量从1m3/h增加到8m3/h时,各部分的热损失均随之降低,而集热接收器热效率随之增加,复合式集热接收器的热效率由17%增加至75.9%。复合式集热接收器内壁面透过玻璃盖板的辐射热损失远远低于泡沫陶瓷容积式集热接收器,减少幅度约为20%～10%,复合式集热接收器整体的热效率高于泡沫陶瓷集热接收器。在各部分的热损失中,外壳壁面的辐射和对流热损失所占比例最大。随着入射光强的增大,各部分的热损失均随之增大,而集热接收器热效率随之降低。随着保温层厚度的增加,通过外壳壁面的散热损失可显著减少,散热损失相较于6cm厚度的保温层分别减少36%(10cm)和52%(15cm)。以上研究为进一步优化设计高温空气集热系统及运行参数提供参考依据。建立蜂窝陶瓷高温固体显热蓄热试验系统,相比较熔融盐、导热油等储热介质可适用于高温蓄热工况下。试验结果表明,蓄热2小时的热量可提供约30分钟的有效放热时间,蓄热系统热效率约为66%。建立蜂窝陶瓷传热模型,模型中考虑换热系数、气体参数等在储热释热过程中随温度的依变关系。利用数值模拟分析蜂窝陶瓷蓄热体不同物性参数、几何参数对于蓄热效果的影响,综合考虑各参数的影响设计能够长期稳定且高效运行的高温蓄热系统,优化后的有效放热时间可达8小时,蓄热系统的热效率可达90%。提出太阳能高温蓄热发电梯级热利用系统,发电效率约为14.3%～22.4%,通过余热梯级有效利用,系统整体热效率可达65%。太阳能一微型燃气轮机联合发电系统中,太阳能输入可占总输入能量的36.4%～50.6%,为太阳能的应用提供了良好的方案和前景。 【关键词】：太阳能 空气高温集热 光热耦合 蜂窝陶瓷 显热蓄热 数值模拟
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK513.3
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-9
• ABSTRACT9-19
• 第1章 绪论19-50
• 1.1 研究背景19-22
• 1.2 太阳能的开发与利用22-25
• 1.2.1 太阳能资源22-24
• 1.2.2 太阳能利用技术24-25
• 1.3 太阳能聚光热发电技术25-33
• 1.4 太阳能集热器的研究进展33-47
• 1.4.1 集热器的定义和分类33-34
• 1.4.2 介质不同的集热器34-37
• 1.4.3 结构不同的集热器37-42
• 1.4.4 典型结构的高温空气集热器42-45
• 1.4.5 太阳能集热-热力循环45-46
• 1.4.6 小结46-47
• 1.5 本文主要研究内容47-50
• 第2章 试验系统与试验方法50-63
• 2.1 前言50
• 2.2 太阳能模拟灯系统50-51
• 2.3 ASAP软件介绍及光源模拟51-52
• 2.4 朗伯板测量系统及结果分析52-57
• 2.4.1 朗伯板测量系统及试验装置52-54
• 2.4.2 朗伯板测量测量结果分析54-57
• 2.5 空气集热接收器的试验系统及方法57-62
• 2.5.1 空气集热接收器试验系统57-59
• 2.5.2 相关材料物性参数59-62
• 2.6 小结62-63
• 第3章 空气集热接收器的试验研究63-77
• 3.1 引言63
• 3.2 空气集热接收器结构63-65
• 3.3 试验结果分析65-74
• 3.3.1 容积式空气集热接收器65-68
• 3.3.2 盘管空气集热接收器68-71
• 3.3.3 复合空气集热接收器71-73
• 3.3.4 效率对比73-74
• 3.4 小结74-77
• 第4章 太阳能集热接收器的光路模拟77-94
• 4.1 引言77
• 4.2 不同结构集热接收器在太阳能模拟灯下的光路分析77-80
• 4.2.1 泡沫陶瓷集热接收器77-78
• 4.2.2 盘管腔式集热接收器78-79
• 4.2.3 复合式集热接收器79-80
• 4.3 不同结构集热接收器在太阳能碟式聚光镜下的光路分析80-92
• 4.3.1 碟式二次反射系统的聚焦光斑分析80-82
• 4.3.2 泡沫陶瓷集热接收器在碟式二次反射系统下的光路分析82-85
• 4.3.3 盘管集热接收器在碟式二次反射系统下的光路分析85-87
• 4.3.4 复合式集热接收器在碟式二次反射系统下的光路分析87-88
• 4.3.5 集热接收器初始偏斜一定角度时的光路分析88-92
• 4.4 小结92-94
• 第5章 空气集热接收器的传热数值模拟94-119
• 5.1 引言94
• 5.2 模型建立94-101
• 5.2.1 能量平衡模型94-97
• 5.2.2 能量守恒方程97-98
• 5.2.3 多孔介质内的气固换热模型98-100
• 5.2.4 模型边界条件100
• 5.2.5 参数设定100-101
• 5.3 模拟结果分析101-112
• 5.3.1 流动方向对集热接收器内换热效果的影响101-104
• 5.3.2 模拟结果与试验值对比104-105
• 5.3.3 空气流量对集热接收器内换热效果的的影响105-107
• 5.3.4 入射光强对集热接收器内换热效果的影响107-110
• 5.3.5 多孔介质孔密度对集热接收器内换热效果的影响110
• 5.3.6 多孔介质厚度对集热接收器内换热效果的影响110-112
• 5.4 盘管集热接收器的数值模拟112-113
• 5.5 热损失分析113-116
• 5.5.1 不同结构集热接收器的热损失对比分析113-114
• 5.5.2 复合式集热接收器的热损失分析114-116
• 5.6 小结116-119
• 第6章 陶瓷蓄热特性研究119-140
• 6.1 引言119
• 6.2 太阳能蓄热系统研究进展119-125
• 6.2.1 蓄热方式119-121
• 6.2.2 常见的太阳能固体显热蓄热系统121-124
• 6.2.3 蓄热计算模型124-125
• 6.3 蓄热系统试验装置125-130
• 6.3.1 空气蓄热试验装置及系统125-127
• 6.3.2 试验结果分析127-130
• 6.4 蓄热系统数值模拟130-139
• 6.4.1 数值模型建立130-131
• 6.4.2 模拟与试验结果的对比分析131-133
• 6.4.3 模型预测133-139
• 6.5 小结139-140
• 第7章 系统分析140-151
• 7.1 引言140
• 7.2 太阳能高温蓄热发电系统140-143
• 7.2.1 系统设计140-141
• 7.2.2 效率计算141-143
• 7.3 太阳能-微型燃气轮机联合发电系统143-149
• 7.3.1 系统设计143-145
• 7.3.2 效率计算145-149
• 7.4 小结149-151
• 第8章 全文总结与展望151-155
• 8.1 全文总结151-154
• 8.2 本文主要创新点154
• 8.3 全文展望154-155
• 参考文献155-163
• 作者简历163-164

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