适于北方浅山地区的太阳能蓄热技术的研究

【摘要】：太阳能是一种分布广泛、可再生的绿色新能源。但太阳能在利用中，其辐射受到昼夜、季节以及阴晴雨雪等天气因素的影响。太阳能的光热利用进行冬季采暖，最突出的问题是昼热夜用问题。因此，太阳能应用于采暖的技术研究中，一方面集热技术的研究很重要，同样蓄热技术的研究也是很重要的。传输热能的介质大多采用水或空气。在北方浅山地区，空气以传递直接、设备简易、维护方便显示出一定的优越性。基于以上因素，论文对适用于北方浅山地区太阳能蓄热技术进行研究。 论文选定几种适于北方浅山地区太阳能蓄热的材料，对其蓄热特性进行了理论研究，在此基础上，设计了集热蓄热装置，对此装置的蓄热、放热特性进行实验研究。 首先，论文对相变蓄热材料进行了理论研究。建立了石蜡蓄热球的数学模型，用Matlab软件进行数值计算，得到蓄热球的温度场分布和相界面随时间变化的移动规律。利用FLUENT软件对蓄热球的相变传热过程进行数值模拟，比较两种数值计算结果，基本吻合，验证了数学模型可靠以及数值计算方法的可行性。对蓄热球蓄热理论研究中，主要研究了蓄热球直径和外壁温度变化对熔化/凝固时间的影响，以及蓄热放热特性。 其次，在集热蓄热装置中，对多种蓄热材料以及其影响因素进行了理论分析。采用正交试验设计组合得到16种试验方案，利用FLUENT软件对每个试验进行数值模拟分析。以集热蓄热装置的蓄热效率为实验指标，通过正交实验表计算和分析，得出集热蓄热装置最优设计方案，即入口流速为1.6m/s，玻璃盖板为中空高透玻璃，入口空气温度为263.15K，蓄热体为相变材料，空气间层厚度为80mm，蓄热材料厚度为80mm，太阳辐射强度为592.2W/m~2（12时）。 根据以上理论分析得出的结果，搭建试验台进行全天实测实验。对集热蓄热装置的结构和热特性包括集热板、空气间层自然和强迫对流、不同蓄热材料等进行相关测试。实验结果验证了空气间层厚度选择70mm～90mm为宜；在静态条件下，集热蓄热装置的平均集热效率为64%，而无蓄热材料其平均集热效率为24%；在动态条件下，集热蓄热装置集热效率在38%～56%范围，波动幅度较小；而无蓄热材料其集热效率在30%～61%范围，波动幅度较大；此外，集热蓄热装置蓄热效率为21%～25%，并对前期数值模拟结果进行验证。 【关键词】：太阳能空气集热器 蓄热 蓄热效率 集热效率 相变材料
【学位授予单位】：北京建筑工程学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TU832
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-11
• 第1章 绪论11-27
• 1.1 研究背景11-13
• 1.1.1 世界能源现状11
• 1.1.2 我国能源现状11-12
• 1.1.3 我国太阳能资源分布12-13
• 1.2 研究现状13-25
• 1.2.1 蓄热技术的发展过程及应用13-19
• 1.2.2 北方农村太阳能利用的集热蓄热研究与应用19-25
• 1.3 研究目的及内容25-27
• 1.3.1 研究目的25-26
• 1.3.2 研究内容26-27
• 第2章 内封装石蜡的蓄热球传热理论研究27-42
• 2.1 蓄热技术的简介27-28
• 2.2 相变传热的基本理论28-30
• 2.2.1 相变传热现象的基本特征28
• 2.2.2 相变界面上的边界条件28-30
• 2.2.3 相变传热模型30
• 2.3 蓄热球的非稳态传热数值编程模拟分析30-41
• 2.3.1 假设条件30-31
• 2.3.2 建立相变传热过程的基本方程31
• 2.3.3 建立离散方程31-37
• 2.3.4 计算结果及分析37-41
• 2.4 本章小结41-42
• 第3章 蓄热球内熔化和凝固过程传热特性研究42-62
• 3.1 物理模型42-43
• 3.2 数学模型43-46
• 3.2.1 考虑液相自然对流影响的数学描述43-44
• 3.2.2 忽略液相自然对流影响的数学描述44-45
• 3.2.3 简要概述 Solidification/Melting 模型中液相率β45-46
• 3.3 数值模拟前处理及模拟参数设置46-59
• 3.3.1 网格划分46
• 3.3.2 参数设置46
• 3.3.3 数值模拟计算结果与分析46-50
• 3.3.4 球内温度场变化和相界面移动规律50-56
• 3.3.5 蓄热球结构和外界条件变化对其相变过程的影响56-59
• 3.4 本章小结59-62
• 第4章 太阳能空气集热蓄热装置影响因素的研究62-74
• 4.1 正交试验设计62-63
• 4.1.1 正交试验设计概述62
• 4.1.2 因素和水平的确定62-63
• 4.1.3 正交表的建立63
• 4.2 太阳能空气集热蓄热装置数值模拟63-66
• 4.2.1 物理模型63-64
• 4.2.2 数学模型64-65
• 4.2.3 FLUENT 模拟软件中基本设置65-66
• 4.4 正交试验结果分析66-72
• 4.4.1 因素和水平分组68
• 4.4.2 数据计算68
• 4.4.3 因素影响分析68-69
• 4.4.4 参数选优69-72
• 4.4.5 最优方案得出72
• 4.5 本章小结72-74
• 第5章 太阳能空气集热蓄热装置的热性能实验研究74-101
• 5.1 总体结构设计74-75
• 5.2 实验系统工作原理75-77
• 5.3 热电偶的制作和标定77-78
• 5.4 平板型太阳能空气集热蓄热系统热性能研究78-81
• 5.4.1 两种材料温度变化比较79-81
• 5.4.2 两种集热器集热对比试验81
• 5.5 实验热性能测试81-91
• 5.5.1 静态实验热性能测试82-88
• 5.5.2 动态实验热特性测试88-91
• 5.6 不同情况下集热蓄热器的热效率91-98
• 5.6.1 静态下集热-蓄热器与普通集热器的热效率比较91-96
• 5.6.2 动态下集热-蓄热器与普通集热器的热效率比较96-98
• 5.7 两种蓄热材料的对比98-99
• 5.8 本章小结99-101
• 总结与展望101-104
• 1 结论101-102
• 2 存在的不足及未来工作的展望102-104
• 参考文献104-109
• 硕士期间公开发表论文109-110
• 致谢110

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