太阳能旋转式高温颗粒集热特性的试验研究与数值模拟

【摘要】：随着能源需求日益增加和环境压力日益加大,太阳能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到人们重视。太阳能热发电是一种具有蓄热能力的太阳能利用方式,其输出电力更为平稳且品质较高,最有希望在将来替代基础电负荷。而其中太阳能碟式热发电系统具有最高的聚光比和系统效率,但由于一般的碟式系统没有蓄热装置,且存在聚光热斑,给系统稳定性和寿命带来了严重影响。为了解决这些问题,开发一种不易受热斑影响的、具有蓄热能力的太阳能碟式高温集热方法成为关键。本文首先介绍了国内外的太阳能发展规划、利用方法和发展现状,其中,固体颗粒集热方法可以很好的解决热斑问题,可以直接蓄热,并且无严格的高温高压密封要求,成为了太阳能高温集热方法的选项之一。在太阳能热发电系统中,集热接收器是将太阳能转换为热能的关键部件,直接决定了整个系统的寿命和光热转换效率。本文通过建立两种形式的旋转颗粒集热接收器试验系统,并配套搭建了太阳能模拟灯系统,探索和掌握了聚光太阳辐射能流测量方法、测量了集热过程中的颗粒特性,并探讨了颗粒集热的试验方法,为后文研究颗粒集热特性提供试验基础。采用基于蒙特卡洛光线追迹法,分别使平行光模拟灯光源与敞口集热接收器相匹配,高聚光模拟灯光源与束口集热接收器相匹配,进行了两种集热接收器的光路模拟。模拟结果表明,敞口集热接收器和束口集热接收器的集光效率分别为-84%和-87%,颗粒层上的最高辐射能流密度分别达到44.7 kw/m。和232.3kW/m2。以光路模拟输出结果作为传热模型的输入条件,分别进行了敞口集热接收器稳态传热计算和束口集热接收器动态传热计算。通过耦合光路模拟和传热计算,建立了集热接收器的光热耦合模型,并应用到了两种集热接收器,试验结果很好的符合了各自的模拟结果,验证了两种光热耦合模型的正确性。对于敞口集热接收器而言,其适合聚光光斑直径较大的聚光系统,当入射辐射能流从1050 W增加到1550 W时,颗粒单程循环温升从200℃增加到300℃,热效率从63%下降到了59%。模型预测随着入射辐射能流增大到13,000 W,颗粒的单程循环温升将达到1150℃,同时热效率则持续下降到-34%。热损分析表明,造成集热接收器效率下降的最大原因是集热接收器内壁面对玻璃盖板的辐射热交换,以及玻璃盖板对外界的热损。提升其热效率的主要方法是减小集热接收器内壁面对玻璃盖板的角系数、玻璃盖板背面涂远红外波段反射膜和颗粒表面涂选择性吸收膜。对于柬口集热接收器而言,其更适用于聚光光斑直径较小的聚光系统。当入射辐射能流为5079 W时,出口处的颗粒被加热到了-650℃,集热接收器的热效率为60.5%。热损分析表明,振动盘面下面的冷却装置引起了过大的热损,使效率下降。提升束口集热接收器热效率的主要方法是在集热接收器振动盘面和电磁铁装置之间增厚隔热层,集热接收器的热效率将保持在70%以上。将增厚了隔热层的束口集热接收器和3 m二次反射碟式镜相结合,预测集热接收器的集光效率和热效率可以分别达到84.8%和76.9%,出口处颗粒温度可以达到673℃,并设计了一个3m碟式颗粒集热蓄热系统。集热接收器内的温度分布对进一步提高集热效率,防止局部过热有着重要意义,本文提出了创新的热格子玻尔兹曼(TLBE)的辐射边界条件处理方法,解决了气固接合面上的能流跳跃问题,将TLBE方法和蒙特卡洛方法(MC)相结合,建立了束口集热接收器的三维TLBE-MC光热耦合模型。通过模型比较,初步验证了TLBE-MC模型的正确性。模型结果表明,颗粒进入集热接收器会先迅速上升到1400℃,然后向保温锥形盖板和玻璃盖板传递热量,逐渐降低到700℃。总的来说,本文以开发具有蓄热能力的太阳能碟式高温集热方法为目标,提出了质量流量稳定可控、颗粒停留时间较长的高温颗粒集热方法,颗粒出口温度达到了650℃,集热接收器热效率在60%以上,如果进一步增厚隔热层,集热接收器的热效率可以提升到70%以上。通过建立集热接收器光热耦合模型,探讨了两种形式的集热接收器的光损和热损,提出了改善集热接收器性能的方法和措施。基于具有一阶精度的热格子玻尔兹曼辐射边界条件处理方法,通过将热格子玻尔兹曼方法和蒙特卡洛方法相结合,建立了集热接收器的三维TLBE-MC光热耦合模型,得到了集热接收器内的温度分布、热量交换过程和气体流动分布,为今后进一步的高温热利用过程提供了参考。 【关键词】：太阳能高温集热 颗粒集热接收器 碟式系统 蒙特卡洛光线追迹法 格子玻尔兹曼方法
【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
• Abstract9-21
• 符号表21-27
• 1 绪论及文献综述27-70
• 1.1 研究背景27-28
• 1.2 太阳能利用概论28-33
• 1.2.1 光电转换30
• 1.2.2 光化学转换30-31
• 1.2.3 光生物能转换31
• 1.2.4 光热转换31-33
• 1.3 太阳能热发电发展现状33-41
• 1.4 太阳能集热接收器研究进展41-44
• 1.5 太阳能颗粒集热接收器研究进展44-57
• 1.5.1 幕帘式45-50
• 1.5.2 流化床式50-51
• 1.5.3 小颗粒吸热腔51-53
• 1.5.4 管内颗粒流式53-55
• 1.5.5 离心式集热接收器55-56
• 1.5.6. 小结56-57
• 1.6 太阳能集热接收器光热耦合模型的研究进展57-60
• 1.6.1 光路模拟研究进展57-59
• 1.6.2 传热模型研究进展59-60
• 1.7 格子玻尔兹曼方法介绍60-67
• 1.7.1 LBE方法60-63
• 1.7.2 TLBE方法63-67
• 1.8 本文研究体系与研究内容67-70
• 2 试验系统的搭建及试验方法70-94
• 2.1 前言70
• 2.2 旋转式颗粒集热接收器系统70-76
• 2.2.1 敞口颗粒集热接收器70-74
• 2.2.2 束口颗粒集热接收器74-76
• 2.3 辐射能流测量系统76-80
• 2.3.1 直接辐射能流测量系统77
• 2.3.2 面域式辐射能流测量系统77-80
• 2.4 太阳模拟灯系统80-88
• 2.4.1 平行光模拟灯系统82-85
• 2.4.2 高聚光模拟灯系统85-88
• 2.5 颗粒特性分析88-90
• 2.6 试验流程与方法90-92
• 2.7 本章小结92-94
• 3 旋转式颗粒集热接收器的光热耦合模型94-117
• 3.1 前言94-95
• 3.2、颗粒集热接收器光路模拟95-106
• 3.2.1 光源模型的建立95-100
• 3.2.2 集热接收器光路模拟100-106
• 3.3 颗粒集热接收器传热计算106-116
• 3.3.1 敞口集热接收器稳态传热计算107-110
• 3.3.2 束口.集热接收器动态传热计算110-115
• 3.3.3 两种集热接收器传热计算模型比较115-116
• 3.4 本章小结116-117
• 4 旋转式颗粒集热接收器试验与数值模拟讨论及预测117-145
• 4.1 前言117
• 4.2 敞口颗粒集热接收器结果讨论及热损分析117-125
• 4.2.1 试验结果与试验误差分析117-120
• 4.2.2 模拟与试验结果对比120-123
• 4.2.3 集热接收器性能预测与热损分析123-125
• 4.3 束口颗粒集热接收器结果讨论及热损分析125-133
• 4.3.1 试验结果与试验误差分析125-129
• 4.3.2 模拟与试验结果对比以及热损分析129-133
• 4.4 敞口与束口集热接收器比较与改进133-135
• 4.5 基于3m碟式镜系统的颗粒集热接收器性能预测135-140
• 4.6 3m碟式颗粒集热蓄热系统整体设计方案140-142
• 4.7 本章小结142-145
• 5 基于TLBE-MC方法的旋转式颗粒集热接收器光热耦合模型研究145-176
• 5.1 前言145
• 5.2 气固结合面的TLBE辐射边界条件处理方法145-158
• 5.2.1 通用辐射边界条件处理方法145-149
• 5.2.2 特殊情况下辐射边界条件处理方法149-150
• 5.2.3 辐射边界条件处理方法的验证150-158
• 5.3 旋转式颗粒集热接收器三维TLBE-MC模型158-168
• 5.3.1 模型假设和简化158-161
• 5.3.2 无量纲化161-165
• 5.3.3 模型的建立及边界条件的处理165-168
• 5.4 模型结果与讨论168-174
• 5.4.1 各类模型的比较168-169
• 5.4.2 集热接收器升温过程169-173
• 5.4.3 集热接收器温度平衡状态173-174
• 5.5 本章小结174-176
• 6 全文总结与展望176-182
• 6.1 全文总结176-179
• 6.2 主要创新点179-180
• 6.3 工作展望180-182
• 附录182-185
• 参考文献185-194
• 作者简历194-195

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

光伏电池覆盖率和玻璃盖板对光伏太阳能热泵系统综合性能的影响    何汉峰;季杰;裴刚;何伟;刘可亮;

有、无玻璃盖板工况对PV/T系统性能的影响    裴刚;周天泰;季杰;何伟;

真空玻璃盖板热管平板式太阳能热水器的研制    胡亚才,魏林生,洪荣华,王世锋

PV／T电、热联产系统在理想条件下的性能简化分析    葛新石;叶宏;

基于菲聂尔透镜的聚焦太阳能PV/T系统热电性能研究    翟辉;代彦军;吴静怡;

太阳能烟囱自然通风的一维非稳态模型    柳仲宝;苏亚欣;

    

真空玻璃盖板热管平板式太阳能热水器的研制    胡亚才;魏林生;洪荣华;王世锋;

东旭光电控股江苏吉星进入蓝宝石屏幕产业    记者 边长勇

太阳能旋转式高温颗粒集热特性的试验研究与数值模拟    郭凯凯

玻璃表面修饰结构对增强太阳电池效率的研究    冯江山

空间太阳能电池玻璃盖板裂缝检测系统的研究    郭延齐