太阳能腔式盘管空气接收器的试验研究和数值模拟

【摘要】：太阳能热发电系统主要包括聚光器、接收器和热功转换单元等几个部分,其中聚光器和接收器又统称为集热器。接收器是用来接收来自聚光器的高热流密度的太阳辐射并将其转化为热能,产出高温工质的关键部件。接收器的热力性能直接影响到整个系统的效率和经济性。研究接收器内部能流分布以及热损失特性对集热系统结构优化有重要的理论和应用价值。 本文针对下聚光腔式盘管空气接收器,研究了不同空气流量(1～5m3/h)和不同流向(顺流和逆流)对接收器热力性能的影响,分析了空气在接收器内的加热过程和温度分布。试验结果表明,在平均入口光强为120kW/m2时,逆流和顺流的最高空气出口温度分别能达到662℃和593℃,热效率最高可达53.6%。空气流量的大小对出口温度和热效率影响较大,相同流量下,逆流优于顺流。空气在接收器内的温度先上升后下降,流量越大,尾部温降越小。 建立腔式盘管空气接收器光热耦合模型,针对接收器内壁表面热流分布不均匀的情况,建立基于蒙特卡洛法的光学追迹模型获得管壁光强分布,并将其作为热边界条件导入到FLUENT三维传热模型,得到不同工况下的接收器热效率和空气温度变化规律。光热耦合模型模拟结果表明接收器内壁面辐射能流呈双峰分布,接收器内空气加热过程及分布规律与试验结果相吻合良好,出口温度误差低于8%。基于光热耦合模型进一步分析分析接收器各部分的热损失情况,结果表明：接收器外壁对外辐射热损失所占比例最大,其次为接收器外壁对外对流热损失,并进一步提出接收器优化的措施与效果。 采用光热耦合模型分析不同接收器结构对热力性能的影响规律。结果表明：当入口平均光强增加到200kW/m2和300kW/m2时,流量为5m3/h时的接收器出口温度分别能达到706℃和818℃,但热效率降低至～20%。盘管管径减少到4mm时,流量为5m3/h时的接收器出口温度能达到670℃,热效率可达64.1%,但压降损失从6mm时的5.37kPa上升至56.52kPa。进一步减少盘管圈数能改变盘管壁面光强分布使其更有利于管内空气温升,当圈数减少为12圈时,出口空气温度最高为572℃(5m3/h),压降也进一步降低为4.62kPa。进一步减少圈数时,由于进口总光强的降低及管内加热时间的减少则会导致出口温度的降低。设计腔式盘管接收器时应根据出口温度要求选定入口光强和流量大小,壁面光强分布可通过管径和圈数的调整使其达到最优分布效果。 【关键词】：太阳能 盘管 接收器 高温空气 能流分布 温度场
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM615;TK513
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 图目录11-13
• 表目录13-14
• 第一章 绪论14-26
• 1.1 前言14-15
• 1.2 太阳能热发电系统15-19
• 1.3 太阳能接收器研究现状19-21
• 1.3.1 容积式接收器19
• 1.3.2 颗粒式接收器19-20
• 1.3.3 腔体式接收器20-21
• 1.4 空气接收器21-24
• 1.5 本文研究内容24-26
• 第二章 腔式盘管接收器特性试验与分析26-36
• 2.1 接收器结构26-27
• 2.2 试验装置27-28
• 2.3 试验研究28-34
• 2.3.1 试验过程与方法28-30
• 2.3.2 逆流试验结果与讨论30-32
• 2.3.3 顺流试验结果与讨论32-34
• 2.3.4 玻璃光孔影响34
• 2.4 本章小结34-36
• 第三章 腔式盘管接收器光热耦合模型与验证36-59
• 3.1 前言36
• 3.2 入口总能量测算36-42
• 3.2.1 测量系统简介36-39
• 3.2.2 朗伯板位置坐标标定39-40
• 3.2.3 测试结果处理与分析40-42
• 3.3 腔内盘管相对能流分布模拟与实际能流分布42-45
• 3.3.1 ASAP模型建立42-44
• 3.3.2 ASAP光学追迹结果及分析44-45
• 3.4 数值计算理论基础45-50
• 3.4.1 基本假设及控制方程45-47
• 3.4.2 FLUENT简介47-48
• 3.4.3 FLUENT中辐射模型48-50
• 3.5 Fluent耦合传热计算50-55
• 3.5.1 数值模型建立及网格划分50-51
• 3.5.2 Fluent模型假设及边界条件设置51-53
• 3.5.3 模型材料性质设置53-55
• 3.6 模型验证与分析55-57
• 3.6.1 逆流结果对比分析55-56
• 3.6.2 顺流结果对比分析56-57
• 3.7 本章小结57-59
• 第四章 模拟结果分析与预测59-75
• 4.1 盘管壁面与腔内温度分布59-60
• 4.2 热平衡分析60-66
• 4.2.1 整体热平衡60-61
• 4.2.2 石英玻璃热损失61-62
• 4.2.3 接收器壳层外表面热损失62-63
• 4.2.4 腔体内表面热损失63-66
• 4.2.5 玻璃光孔反射热损失及有效利用热66
• 4.3 热损失分析66-68
• 4.3.1 逆流热损失分析与讨论67
• 4.3.2 顺流与逆流热损失对比67-68
• 4.4 模型预测68-74
• 4.4.1 入口光强影响规律68-69
• 4.4.2 盘管管径影响规律69-71
• 4.4.3 盘管圈数影响规律71-74
• 4.5 本章小结74-75
• 第五章 总结与展望75-77
• 5.1 研究结论75-76
• 5.2 本文主要创新点76
• 5.3 展望76-77
• 参考文献77-80
• 附录80-81
• 致谢81

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