新型CPC真空管式太阳能集热器的模拟研究

【摘要】：文章通过分析我国能源利用的现状,不可再生能源消耗严重并且污染环境,此时开发和利用可再生清洁能源已是迫在眉睫。太阳能作为清洁能源中的一种,由于其具有广泛性、环保性和永久性等特点,有其利用的价值。我国太阳能资源丰富,具有利用太阳能的良好条件,在此基础上提出了本论文的研究课题。 太阳能的热利用的关键技术是将太阳的辐射能转换为热能。由于太阳能比较分散,必须设法把它集中起来,太阳能集热器是一种特殊的热交换器,将分散的太阳辐射能转化为热能,并将其热能传递给工质,加热工质。 本文建立起CPC太阳能集热器的数学模型,为研究CPC集热器的性能提供理论基础。CPC集热器系统比一般的换热器要复杂得多,包含三种换热方式：导热、对流和辐射换热。本文分别分节描写太阳辐射、集热器的热损失、集热器的能量平衡、集热器热效率和集热系统的流动阻力的数学模型。数学模型的建立方便我们研究影响集热器性能的因素,有助于集热器的设计。本文设计的新型复合抛物面真空管式太阳能集热器是将复合抛物面和真空管技术相结合,设计了一种新型的接收器结构作为创新点。接收器是由铜管和玻璃管组成,两管中间抽真空,铜管带翅片,选择性涂层涂在带翅片的铜管表面而不是传统的涂在玻璃管的内表面也是本文的一个亮点。 本文首先建立了太阳辐射模型,根据昆明地区具体情况分析了昆明太阳辐射规律。随后论文通过对新型复合抛物面聚光器进行理论研究,列出了了复合抛物面的系统方程；建立复合抛物面聚光器聚光模型,研究了其在截短后的经济性。研究表明在稍微降低聚光比的情况下,镜面总高度会大大降低,所消耗的镜面加工材料就越少,成本会大大降低。最后,应用传热学基本原理,构建了新型复合抛物面真空管式太阳能集热器的传热模型,推导出CPC集热器的效率因子、肋片效率、总热损失系数、热迁移因子和瞬时效率方程等,得出了集热器的瞬时集热效率方程为η=0.65-1.22(Tf-Ta)/(I·CR),通过计算得到集热器的瞬时集热效率与流体温差的关系曲线。 计算结果表明新型CPC真空管式太阳能集热器充分发挥了聚焦后,能量密度提高的优势,适合在昆明这种高原地区使用,这种集热器在今后的发展中将有很大的潜力。 【关键词】：太阳能 复合抛物面 真空管式太阳能集热器 光学性能 热学性能
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK512
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-26
• 1.1 世界能源形势和前景预测10-11
• 1.2 中国太阳能资源区域划分11-14
• 1.3 太阳能的利用途径14-15
• 1.4 太阳能热发电技术15-17
• 1.5 太阳能集热器17-23
• 1.5.1 非聚光类太阳能集热器17-19
• 1.5.1.1 平板型型太阳能集热器17-18
• 1.5.1.2 真空热管太阳能集热器18-19
• 1.5.2 聚光类太阳能集热器19-23
• 1.5.2.1 点聚焦集热19-20
• 1.5.2.2 线聚焦集热20-22
• 1.5.2.3 低倍率聚焦22
• 1.5.2.4 菲涅尔透镜22-23
• 1.6 本论文主要研究的内容23-26
• 第二章 太阳辐射模型26-38
• 2.1 太阳能资源26
• 2.2 太阳位置方程26-30
• 2.2.1 赤纬角27
• 2.2.2 时角27-28
• 2.2.3 太阳高度角28-29
• 2.2.4 太阳方位角29
• 2.2.5 日出、日没时角29-30
• 2.3 太阳辐射强度的计算30-33
• 2.3.1 太阳常数30-31
• 2.3.2 太阳辐射模型简介31-33
• 2.3.2.1 霍伊特模型31-32
• 2.3.2.2 区域辐射模型32-33
• 2.4 昆明市的太阳辐射计算33-36
• 2.5 本章小结36-38
• 第三章 复合抛物面聚光器光学性能分析38-50
• 3.1 聚光分析39-42
• 3.2 CPC的型线设计分析42-47
• 3.3 集聚光反射损失分析47-48
• 3.4 光学效率48-49
• 3.5 本章小结49-50
• 第四章 集热器的热性能分析50-66
• 4.1 复合抛物面集热器传热过程分析50-52
• 4.2 接收器的结构52-53
• 4.3 性能评价指标53-60
• 4.3.1 简化热模型53-54
• 4.3.2 效率因子54-56
• 4.3.3 肋片效率56-58
• 4.3.4 总热损失系数58
• 4.3.5 集热工质流动方向上的温度分布58-59
• 4.3.6 热迁移因子59-60
• 4.3.7 瞬时集热效率60
• 4.4 传热热阻计算60-64
• 4.4.1 对流换热60-63
• 4.4.1.1 风速损失60-61
• 4.4.1.2 腔体内的自然对流换热61
• 4.4.1.3 流道内的对流换热61-63
• 4.4.2 辐射换热63-64
• 4.4.2.1 盖板与环境间的辐射换热63
• 4.4.2.2 玻璃管与盖板之间辐射换热63-64
• 4.4.2.3 集热管与玻璃管之间的辐射换热64
• 4.5 本章小结64-66
• 第五章 模型的建立66-74
• 5.1 聚光器模型的计算66-67
• 5.2 传热模型的计算67-74
• 5.2.1 光学效率的计算67-68
• 5.2.2 热损失系数的计算68
• 5.2.3 效率因子的计算68-74
• 第六章 全文总结74-78
• 6.1 研究总结74-75
• 6.2 展望75-78
• 参考文献78-82
• 致谢82-84
• 附录A84-86
• 附录B86

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