菲涅尔二次反射塔式腔体太阳能集热器集热性能研究

【摘要】：本文提出一种新型的菲涅尔二次反射塔式太阳能集热器,对其集热机理进行了研究。主要研究内容如下:1.菲涅尔二次反射塔式太阳能集热器集热器机理研究。给出菲涅尔定日镜、二次反射镜以及腔体吸收器的设计方法,并引入蒙特卡罗光线追迹法分析菲涅尔二次反射塔式集热器的光学性能,求得吸收面上的光斑能流密度分布,以此作为吸收器数值计算时的热流边界条件,研究吸收器集热性能。2.菲涅尔二次反射式太阳能集热系统的光学特性研究。跟踪过程中,旋转角角差最大差值为4.574°,俯仰角角差最大差值为0.0425°,前者是后者100多倍,因此分析过程中仅考虑旋转角角差对光学性能的影响;对于同一组定日镜而言,夏季的阴影和遮挡效率比冬季高10%,说明太阳高度角越高,阴影和遮挡损失越少;定日镜H1在上海地区的年均效率为53.5%高于H2的45.6%和H3的37.9%,说明南向的定日镜具有更高的光学效率。3.线菲二次反射塔式集热器热学特性研究。当采用水作为传热工质时,最佳流量为0.25L/s;采用导热油作为传热工质时,最佳流量为0.35L/s。在相同集热器进口温度下,采用水作为传热工质,比导热油具有更好的集热性能;对于圆锥形腔体吸收器,辐射损失是主要的热损来源,当集热温度为200℃以上时,辐射损失占总损失80%以上;经优化分析,圆锥角取100°左右时,本系统总热损失最小;当采用保温墙取代CPC聚光器,虽然损失一部分光学效率,但是辐射背景的改善大大减小了辐射损失。当保温墙相对高度取n=3,集热温度100℃时,辐射热损失减小60%;当集热温度达到300℃时,辐射热损失减小45%。4.线菲二次反射塔式集热器实验研究。通过实验测得集热器的瞬时效率,拟合一次效率曲线方程为:0.583 0.315 i acdTTIh-=-。与模拟结果进行对比,相对误差在-3.8%~15%,证明数值模拟模型的合理性。 【关键词】：CSP技术 菲涅尔二次反射塔式集热器 腔体吸收器 蒙特卡罗光线追迹法 集热性能研究
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK513.1
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 符号说明10-12
• 第一章 绪论12-23
• 1.1 研究背景和意义12-14
• 1.2 研究与应用现状14-22
• 1.2.1 CSP技术研究现状14-19
• 1.2.2 二次反射塔式集热器研究现状19-22
• 1.3 本文主要研究内容22-23
• 第二章 菲涅尔二次反射塔式系统设计23-33
• 2.1 定日镜场的设计23-25
• 2.2 二次反射镜的设计25-27
• 2.3 吸收器的设计27-31
• 2.3.1 传热工质27-28
• 2.3.2 腔体吸收器28-30
• 2.3.3 聚光器设计30-31
• 2.4 本章小结31-33
• 第三章 菲涅尔二次反射塔式系统光学性能分析33-63
• 3.1 二次反射塔式系统几何模型建立33-37
• 3.1.1 系统布置33-34
• 3.1.2 系统几何参数34-36
• 3.1.3 坐标系建立36-37
• 3.2 二次反射塔式系统跟踪角度计算37-41
• 3.2.1 太阳位置计算37-38
• 3.2.2 定日镜跟踪角度计算38-41
• 3.3 蒙特卡罗方法光线追迹法简介41-42
• 3.4 菲涅尔二次反射塔式系统光线追踪42-51
• 3.4.1 光源分布46-47
• 3.4.2 反射过程判定47-48
• 3.4.3 遮挡和阴影判定48
• 3.4.4 吸收过程判定48-49
• 3.4.5 光学效率49-51
• 3.5 结果与讨论51-61
• 3.5.1 蒙特卡罗方法程序验证51-53
• 3.5.2 跟踪角计算53-56
• 3.5.3 吸收器表面能流密度分布56-58
• 3.5.4 全年光学效率58-61
• 3.6 本章小结61-63
• 第四章 吸收器光热转换模型与数值计算63-85
• 4.1 数学模型建立和控制方程63-67
• 4.1.1 数学模型63-66
• 4.1.2 控制方程66-67
• 4.2 辐射模型67-70
• 4.2.1 DO模型68-70
• 4.3 物性参数70-71
• 4.4 边界条件71-72
• 4.5 网格划分以及求解模型72
• 4.6 结果与分析72-79
• 4.6.1 光学模拟结果73-75
• 4.6.2 腔体内部温度分布75-76
• 4.6.3 吸收器进口参数优化76-77
• 4.6.4 吸收器几何参数优化77-79
• 4.7 保温墙与CPC的比较79-84
• 4.7.1 数学模型及边界条件的设定79-80
• 4.7.2 结果与分析80-84
• 4.8 本章小结84-85
• 第五章 系统实验研究与优化85-91
• 5.1 实验台搭建85-86
• 5.2 实验结果与分析86-89
• 5.2.1 瞬时效率测定86-89
• 5.3 系统优化设计89-90
• 5.4 本章小结90-91
• 第六章 结论与展望91-94
• 6.1 研究总结91-93
• 6.2 工作展望93-94
• 参考文献94-100
• 致谢100-101
• 攻读学位期间的学术成果101-103

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