抛物面槽式太阳能系统性能的分析与优化

【摘要】：太阳能作为一种绿色可再生能源,在解决现今的环境污染和能源危机等问题具有重要的意义,因此在近几十年得到了广泛的应用和快速的发展,投入的技术经费逐渐增大。为了实现太阳能规模化和产业化的利用,提高太阳能集热装置的集热效率,降低系统的热损,减少热电站建造和运行的成本等成为研究的热点。 本文提出了考虑镜面折射误差影响的槽式太阳能系统的光学模型。通过模型的计算结果与实验数据的比较验证了系统光学模型的准确性。基于最大年平均净能量效率,给出了槽式系统最优设计参数算法和典型系统参数。本文使用建立的模型比较了膜反射镜和玻璃反射镜下的真空管槽式系统性能。在建立的光学模型的基础上,本文还提出了一种二维槽式太阳能系统管式集热器的热学模型,发展了快速的数值算法,并将其耦合到三维槽式系统的光学模型上。除此之外,热学模型考虑了温度对材料热性能的影响,提高了准确性,并且应用换热公式直接计算集热管两个面的辐射换热,减小了计算量。本文应用模型计算了两种集热管槽式太阳能系统在有无太阳辐照下的性能,并与实验数据及其它二维传热模型的计算结果进行了比较。基于热学模型,还分析了外界环境条件,导热流体的流速以及集热管的光学系数对真空管槽式系统集热效率的影响。模型有较广的适用范围,可预测不同槽式光学设计参数和不同管式集热器设计参数系统性能。 本文的主要结论如下：(1)当忽略了折射表面误差时,光学效率计算存在高达20%的误差。在预测使用玻璃反射镜槽式太阳能系统性能时,应同时考虑反射误差和折射误差。(2)两种反射镜下的真空管槽式系统在使用南北追踪方式下,冬季的系统性能相对低一些,并且冬至日输出的净能量比夏至日的1/6还低。(3)在当地纬度为40°的冬至日正午,使用玻璃反射镜的槽式太阳能系统的净能量效率比使用膜反射镜的情况低一半。(4)当两种反射镜下的槽式太阳能系统光学性质一样时,在高纬度的情况下,使用膜反射镜的系统比使用玻璃反射镜更可取。(5)当槽式太阳能系统的集热器工作温度达到250℃以上的实际工况下,本文模型预测的集热效率的平均相对误差,对于真空集热管为0.91%,对于空气集热管,为0.80%,仅为其他几种二维模型的最小平均误差的一半左右。(6)太阳辐射强度和集热管的光学系数对集热器集热效率的影响较大,风速和环境温度以及导热流体的流量对集热器集热效率的影响较小。 【关键词】：槽式太阳能系统 系统性能 误差传递模型 光学模型 热学模型
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK513.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 课题背景及意义10-14
• 1.1.1 槽式太阳能系统11-12
• 1.1.2 塔式太阳能系统12-13
• 1.1.3 碟式太阳能系统13
• 1.1.4 不同类型太阳能集热系统的比较13-14
• 1.2 国内外研究动态14-16
• 1.3 本课题的研究内容及意义16-17
• 1.4 本文主要创新点17-18
• 第二章 使用两种不同反射镜的槽式太阳能系统性能的比较18-41
• 2.1 数值方法18-24
• 2.1.1 误差传递模型18-21
• 2.1.2 太阳光强分布和镜面反射光强分布21-22
• 2.1.3 系统的光学效率计算22-23
• 2.1.4 接收器热损计算23
• 2.1.5 系统收集能量的计算23-24
• 2.1.6 入射角效应24
• 2.2 模型验证24-27
• 2.3 槽式系统的优化27-29
• 2.4 使用两种不同反射镜的系统性能的比较29-40
• 2.5 本章小结40-41
• 第三章 耦合3D光学和2D热学模型预测槽式系统性能41-65
• 3.1 物理模型42-46
• 3.1.1 模型方程43
• 3.1.2 热学模型43-46
• 3.2 数值求解46-48
• 3.3 模型的验证及其与其它模型的比较48-58
• 3.3.1 太阳辐照下的真空集热管49-51
• 3.3.2 太阳辐照下的空气集热管51-54
• 3.3.3 无太阳辐照下的真空集热管系统54-55
• 3.3.4 无太阳辐照下的空气集热管系统55-56
• 3.3.5 模型误差总结56-58
• 3.4 影响热损的因素分析58-63
• 3.4.1 太阳辐射强度的影响59-60
• 3.4.2 风速和环境温度的影响60-61
• 3.4.3 导热流体流速的影响61-62
• 3.4.4 集热管光学系数的影响62-63
• 3.5 本章小结63-65
• 第四章 结论与展望65-66
• 参考文献66-70
• 致谢70-71
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果71

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