碟式太阳能聚光系统的聚光与传热特性的研究

【摘要】：太阳能是地球上储量最丰富的可再生清洁能源,发展太阳能作为替代能源具有广阔的前景。目前,太阳能的发展主要集中于光伏发电和光热利用,而无论对于哪种方式,采用聚光的方式对低密度的地表太阳辐射进行聚集都是必然的发展趋势。碟式系统采用碟式聚光器进行聚光,具有极高的光能转换效率,且在模块化及分布式利用方面有着固有的优势。 碟式聚光系统既可应用于聚光光伏发电,也可应用于驱动热机发电。碟式系统属于点聚焦,其根本特征在于其极高的几何聚光比,碟式接收器表面承受了非常高的聚焦辐射,设计不合理很容易产生局部高温和巨大的热应力,从而导致接收器被烧坏,因此了解接收器壁面的聚焦辐射能流分布非常重要。 立足目前碟式系统的技术难点所在,本文提出了一种光热协同分析方法。在理论计算的基础上,首先采用光学分析软件ASAP进行光学传递过程建模,基于Monte-Carlo万法,将太阳辐射离散为若干均匀分布的光线矢量,同时考虑太阳角直径的影响,进行光线追迹分析,分别得到了平板和圆柱腔式接收器壁面的聚焦辐射能流分布。仿真结果表明,对于平板接收器,其焦斑从中心沿半径方向辐射能流密度逐渐降低；对于圆柱腔式接收器,其腔体底面的辐射能流分布与平板类似,而侧壁面的辐射能流分布沿进口方向先是逐渐增大,而后逐渐减小,中间存在一个理论上的辐射能流密度峰值。整体上看,圆柱腔式接收器壁面的辐射能流分布是非常不均匀的,尤其是在侧壁面,本文还对镜面边缘角和腔体几何尺寸两个因素的影响作了分析。 应用光学分析部分算得的结果,本文对圆柱腔式接收器的传热特征进行了初步的分析,采用ANSYS对接收器的温度场进行了模拟计算,模拟结果显示腔体壁面的温度分布是非常不均匀的,腔体内存在两处高温区域,一处位于腔体底面的中心位置,还有一处位于腔体侧壁面,容易产生较大的热应力,在以后的设计中须充分考虑。 针对碟式系统存在镜面成本过高的问题,本文还在镜面优化方面做了尝试,提出了采用球面反射镜来代替现在广泛使用的旋转抛物镜面。以几何聚光比为直接指标,对球面反射镜的聚光特性进行了分析,并与旋转抛物面反射镜进行了对比。球面可实现的几何聚光比为500-2000,考虑到现有系统的需求以及合理聚光比的观点,本文认为球面反射镜可以满足现有碟式系统的要求,本文还对球面反射镜最佳焦面的能流分布特性进行了研究。 【关键词】：太阳能 碟式 球面反射镜 接收器 辐射能流分布
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK512
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 主要符号表8-9
• 目录9-11
• 1 绪论11-22
• 1.1 课题背景11
• 1.2 太阳能利用现状11-15
• 1.2.1 太阳能利用方式11-14
• 1.2.2 光热发电和光伏发电的对比14-15
• 1.3 聚光式太阳能技术15
• 1.4 碟式太阳能系统现状15-21
• 1.4.1 碟式太阳能热发电技术16-18
• 1.4.2 碟式太阳能聚光光伏技术18-20
• 1.4.3 碟式太阳能的技术难点20-21
• 1.5 本文主要研究内容21-22
• 2 碟式系统的聚光性能模拟22-40
• 2.1 碟式镜面22
• 2.2 碟式接收器22-23
• 2.3 物理模型23-29
• 2.3.1 平板接收器的焦面能流密度23-27
• 2.3.2 圆柱腔式接收器的焦面能流密度27-29
• 2.4 光学仿真软件及方法29-33
• 2.4.1 Monte Carlo方法30-31
• 2.4.2 ASAP光学设计软件简介31-33
• 2.5 仿真结果33-38
• 2.5.1 平板接收器的聚光特性33-35
• 2.5.2 圆柱腔式接收器的聚光特性35-38
• 2.6 本章小结38-40
• 3 球面反射镜的聚光性能模拟40-49
• 3.1 引言40
• 3.2 球面反射镜简介40-41
• 3.3 球面镜的光学聚焦性能仿真41-43
• 3.4 两种反射镜面性能的对比43-45
• 3.5 球面反射镜对应的聚光光斑特性45-47
• 3.6 本章小结47-49
• 4 接收器的传热特性研究49-60
• 4.1 传热特征的一维理论分析49-51
• 4.2 系统的能量传递模型51-54
• 4.3 光-热协同模拟方法54-55
• 4.4 模拟结果55-58
• 4.5 本章小结58-60
• 5 总结与展望60-63
• 5.1 全文总结60-61
• 5.2 展望61-63
• 参考文献63-68
• 攻读硕士学位期间科研成果68

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