太阳能高倍聚光能量传输利用理论及试验研究

【摘要】： 作为新能源,太阳能具有绿色环保可持续利用等优点,在解决传统能源危机中,太阳能利用是各国竞相开发和研究的热点。同时,由于太阳能的能量密度小,光照过程不连续,使得太阳能在收集、传输以及转化过程产生高耗性投资。非聚光及低倍太阳能聚光不利于能源品味的进一步提高,限制了太阳能的应用范围,因而太阳能只是作为传统能源的辅助性能源。 从提高能源利用效率和能源梯级利用的角度,必须研究开发太阳能模块化聚光技术和中高温能源的储存利用技术。本文为太阳能利用在强度和时间上的内在制约提供了新型的解决方案,研究成果对高倍聚光太阳能系统在特殊场合的实用性,常规条件下的商业规模化都具有重要的意义。研究的具体内容包括: (1)通过应用热力学第一定律和第二定律过对太阳能聚光能量传输和利用系统进行热力学分析,发现理想系统对外输出功率最大时的集热温度为2464K,几何聚光比为2617,太阳能的转换效率极限值可达84.9%。这表明在太阳能高倍聚光条件下,对太阳能综合利用效率具有较大的提升潜力。 (2)基于几何光学的知识,对全光谱的太阳光进行光线追踪,优化高倍聚光太阳能的实现方案。通过对三种两级高倍聚光方法的理论分析和相关实验研究,分析了太阳辐射特征与聚光光斑尺寸,入射偏角与热流密度的关系,也对光学效率的进行了测试和分析,获得聚光器形面的设计方法以及提高光学效率的能量传输方式,并提出了以两级菲涅尔透镜系统为模块化的太阳能高倍聚光方案。 (3)根据所提出的两级菲涅尔透镜聚光方案,建立了菲涅尔透镜几何光学分析模型,通过仿真计算,获得了不同偏角下的静态聚光光斑的位置,能量密度,光强分布特性。基于太阳辐射的变工况条件,研究聚焦光斑在接收面上的偏移,光斑处的温度变化特性,太阳辐射以及热流密度的关系,得到的结果对模块化时的接收面研制的合理性和有效性有指导意义。 (4)通过实验对所提出的菲涅尔两级聚光太阳能系统进行整体性能评估,同时,对仿真模型的有效性进行了验证。利用所建立的两级多维调试测量平台,研究了聚光太阳能系统的能量效率,包括传光及传能特性。结果表明,聚光比大于1000倍条件下,聚光系统的全光谱平均能量效率大于50%,在可见光的范围内,4合1耦合光纤的传光效率大于50%,光导管中的近红外光的能量传输效率大于70%;研究表明两级系统的追踪角误差可以控制在1°范围内,从而证明了所研制的菲涅尔两级聚光系统可以在较大的追踪允许误差范围内工作,可以降低追踪系统的投资费用。 (5)探讨了高倍聚光太阳能转换装置在一种电热联用系统中的应用。以一种电热联用的模块化应用为例,对系统光热和光电转换特性进行了分析和评估。光电转换过程的分析结果认为,聚光条件下的热电联用具有提升利用效率的潜力。把热分区技术应用于能量储存,可以在规模化应用的大型太阳能系统中获得更多的可用能储存。通过研究,总体效率可以达到70%以上。 【关键词】：高倍聚光 模块化 光学效率 聚光传输 能量转换
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TK513
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-28
• 1.1 研究背景及意义13-15
• 1.1.1 太阳能资源13-14
• 1.1.2 太阳能利用方式14-15
• 1.2 国内外太阳能聚光传输利用研究现状15-23
• 1.2.1 太阳能聚光转换过程15-19
• 1.2.2 太阳能聚光传输过程19-20
• 1.2.3 太阳能聚光应用20-23
• 1.3 模块化聚光能量系统的实用化研究23-25
• 1.4 课题的选题意义、方向及难点25-27
• 1.4.1 课题研究的必要性25
• 1.4.2 课题研究的方向及主要内容25-26
• 1.4.3 课题难点与技术路线26-27
• 1.5 本章小结27-28
• 第二章 太阳能聚光转换过程的热力学分析28-44
• 2.1 太阳辐射转换过程的热力学问题28-35
• 2.1.1 太阳辐射过程的不可逆28-29
• 2.1.2 太阳能转换过程的可逆分析29-33
• 2.1.3 转换效率极限33-35
• 2.2 太阳能聚光能量系统35-39
• 2.2.1 太阳能聚光系统35-38
• 2.2.2 太阳能传输系统38-39
• 2.3 基于可用能的太阳辐射转换效率分析39-43
• 2.3.1 光热转换过程39-41
• 2.3.2 光电转换过程41-43
• 2.4 本章小结43-44
• 第三章 太阳能高倍聚光系统的光学分析与优化44-58
• 3.1 实现太阳能高倍聚光的不同模式44-47
• 3.1.1 成象光学系统44-45
• 3.1.2 非成象光学系统45-47
• 3.2 高倍聚光方案47-51
• 3.2.1 透射系统47-49
• 3.2.2 反射系统49-51
• 3.3 两级聚光方案及优化51-57
• 3.3.1 两级聚光方案的设计51-52
• 3.3.2 光学性能分析52-57
• 3.4 本章小结57-58
• 第四章 两级菲涅尔透镜的太阳能高倍聚光系统58-76
• 4.1 模型及理论分析58-64
• 4.1.1 菲涅尔透镜设计58-61
• 4.1.2 菲涅尔透镜的光透性分析61-63
• 4.1.3 两级菲涅尔聚光系统63-64
• 4.2 两级菲涅尔聚光系统的能量分布特性64-69
• 4.2.1 聚光系统的光斑直径64-66
• 4.2.2 不同焦距的对比66-67
• 4.2.3 不同光瞳的对比67-68
• 4.2.4 系统的光学透过率68
• 4.2.5 光斑偏移特性68-69
• 4.3 聚光传输过程的能量分析69-75
• 4.3.1 传输光纤69-70
• 4.3.2 评价指标70-72
• 4.3.3 传输光纤性能分析72-75
• 4.4 本章小结75-76
• 第五章 两级菲涅尔透镜太阳能聚光系统实验76-96
• 5.1 两级菲涅尔透镜试验台76-80
• 5.1.1 试验台架初步设计76-78
• 5.1.2 装置结构78-79
• 5.1.3 调节及追踪机构79-80
• 5.2 聚光性能试验80-86
• 5.2.1 测试目的与测试仪器80-81
• 5.2.2 测试结果与分析81-86
• 5.3 传光性能试验86-91
• 5.3.1 传光光纤86
• 5.3.2 传光方式86-87
• 5.3.3 测试仪器87-88
• 5.3.4 测试结果88-91
• 5.4 传能性能试验91-95
• 5.4.1 传能光纤91
• 5.4.2 空芯光纤的制备91-93
• 5.4.3 空芯光纤的性能测试93-95
• 5.5 本章小结95-96
• 第六章 聚光型太阳能热电联用系统96-114
• 6.1 热电联用系统的构建96-101
• 6.1.1 两级聚光系统的模块化96-97
• 6.1.2 聚光型热电联用系统模型97-98
• 6.1.3 热电联用模块的能量转化98-101
• 6.2 聚光太阳能电热联用系统的模型分析101-107
• 6.2.1 电热联用面板结构101-102
• 6.2.2 物理模型及结果分析102-107
• 6.3 热量储存107-113
• 6.4 本章小结113-114
• 第七章 结论与展望114-117
• 7.1 研究结论114-116
• 7.2 创新点116
• 7.3 工作展望116-117
• 参考文献117-128
• 致谢128-129

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