槽式聚光太阳能系统光热能量转换利用理论与实验研究

【摘要】：线聚焦太阳能集热器是规模化太阳能中高温利用的主要技术。而抛物槽式太阳能集热器（PTC）由于在中高温利用中具有较高的光热转换效和在规模化应用中具有很好的经济优势，被广泛地应用于太阳能热发电、太阳能空调及制冷、太阳能海水淡化、太阳能中温制氢等领域。然而，在实际应用中，从聚光集热（光热转换）到用热过程，往往需要经过多个能量转换环节，每一个环节都不可避免地存在热能损失。因此，要实现高效集热和用热的目的，就必须尽可能地减小每个环节的能量损失。另外，系统的初始投入成本也是一个必须考虑的问题。但是，要实现低成本和高效集热利用，目前的槽式太阳能系统在其聚光器、吸收器、跟踪控制器、整体系统的布置安装等方面仍然存在诸多关键问题需要解决。本文主要围绕如何提高槽式太阳能系统的光热转换效率和热利用率这一关键问题展开研究。主要研究工作包括以下几个方面。 （1）对槽式聚光集热器光热转换过程的基础理论及相关技术进行了概括。对线聚焦集热管的热性能进行了理论分析；设计了一种全玻璃真空隔热的集热管，并对其光热性能进行了理论分析和测量实验。实验结果显示，这种集热管的集热效率相当于玻璃-金属真空集热管的90～93%，与腔体集热管的效率相当。 （2）提出了一种计算PTC焦线能流密度分布的方法，并利用Origin软件对采用柱面接收器、V形腔体接收器和平面接收器的PTC系统的焦线能流密度分布进行了计算。根据能流密度的分布规律和所采用的接收器类型，对PTC系统的结构设计优化问题进行了研究分析。 （3）对抛物槽式太阳能集热器的余弦损失效应和末端损失效应进行了理论分析和实验研究。建立了任意向、任意倾角PTC的末端损失效应、余弦损失效应的一般理论模型，提出了采用加长集热管、设置末端平面镜来削弱和补偿末端损失的方法措施，对不同方法的适用条件进行分析和讨论，并通过实验验证了各种补偿方法的可行性；建立了任意向、任意倾角PTC的光学效率的理论模型，通过对理论计算的分析讨论和实验研究，给出最佳安装方位和安装倾角的范围。 （4）对槽式太阳能系统的跟踪模式以及跟踪控制设计的相关问题进行了分析研究。设计了具有快速-粗略和慢速-精确跟踪模式的跟踪控制系统。提出了一种间接测量跟踪精度的方法，并进行了跟踪精度的实测实验。对聚光器的定向偏差对系统集热效率的影响进行了实验研究。结果表明，PTC系统的指向偏差在0.40°的范围内，其集热效率变化不大。对于采用光电传感器的跟踪控制方式，给出了太阳位置传感器的正确安装方式。对槽式集热器的旋转角行程（即转轴的最大旋转角度）对PTC在全天集热量的影响进行了研究。 （5）基于几何光学原理，对PTC阵列的遮挡几何模型及阵列排布进行了分析研究。建立了任意轴向PTC阵列（单轴跟踪）的遮挡模型。在综合考虑太阳直辐射日变化和光场辐射能的利用率的基础上，通过实例的理论计算，给出了不同轴向PTC阵列的最小安装距离（相邻PTC单元之间的距离）的参考值。结果显示，对于由开口宽度w=3m，长度L=20m的集热单元组成的PTC阵列，在纬度φ=25.01°的地区，任意向PTC阵列的最小安装距离可以选择在4.5～5.0m的范围。 （6）对基于槽式太阳能集热器驱动的单效溴化锂吸收式制冷系统的性能进行了实验研究。主要测试了PTC系统的集热效率和单效溴化锂吸收式制冷机组的制冷系数，并对系统在供暖模式下的供暖性能进行了测试和分析。根据对系统存在的问题和不足，进行了结构优化分析，探求实现系统高效集热和高效用热的途径和方式。研究结果显示：在太阳直辐射在0.40～0.90kW/m2的范围，系统的瞬时热效率在0.42～0.55之间，系统瞬时功率在9～21kW的范围；制冷机组的平均制冷系数在0.18～0.60之间，系统的制冷系数（COP）约在0.12～0.27的范围。 【关键词】：槽式太阳能集热器 光学分析 热效率 溴化锂吸收式制冷 应用研究 系统优化
【学位授予单位】：云南师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S214
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-28
• 1.1 课题研究的背景13-16
• 1.2 太阳能利用的方式和途径16
• 1.3 槽式聚光太阳能集热器的研究和应用现状16-23
• 1.4 槽式太阳能系统光热转换利用过程中存在的问题23-24
• 1.5 本文的主要研究工作24-28
• 第二章 槽式聚光太阳能光热转换理论与技术基础28-54
• 2.1 太阳能光热转换的理论基础28-31
• 2.1.1 光谱的等效温度28-29
• 2.1.2 光谱的有效能29-30
• 2.1.3 光热转换分析30-31
• 2.2 抛物槽式聚光太阳能集热器31-37
• 2.2.1 抛物槽式聚光器的聚光比31-33
• 2.2.2 聚光比与集热温度33-34
• 2.2.3 聚光集热器的光学性能34-36
• 2.2.4 聚光集热器的热性能分析36-37
• 2.3 集热管的设计及其热性能研究37-53
• 2.3.1 腔体热集热管的设计及其性能37-39
• 2.3.2 全玻璃真空隔热集热管的设计及其性能39-43
• 2.3.3 集热管的热性能实验43-53
• 2.4 本章小结53-54
• 第三章 抛物槽式太阳能聚光器焦面能流分布与系统结构设计优化54-84
• 3.1 焦面能流密度分布的计算54-72
• 3.1.1 入射光线在接收器上的入射点坐标54-59
• 3.1.2 关于日盘的亮度分布模型59-63
• 3.1.3 利用 Origin 软件计算能流密度的方法和步骤63-65
• 3.1.4 计算结果65-72
• 3.2 焦面能流密度的实测实验72-75
• 3.2.1 实测原理72-73
• 3.2.2 实测结果73-74
• 3.2.3 实测结果分析74-75
• 3.3 PTC 系统的结构设计优化分析75-82
• 3.3.1 集热管的安装高度75-77
• 3.3.2 边缘角的选择问题77-80
• 3.3.3 圆柱形接收器的最小半径80-81
• 3.3.4 腔体接收面的宽度问题81-82
• 3.3.5 复合槽型聚光器的优化设计82
• 3.4 本章小结82-84
• 第四章 槽式太阳能集热系统的余弦损失效应及84-123
• 4.1 PTC 的余弦损失效应及末端损失效应84-93
• 4.1.1 余弦损失效应和末端损失效应的光学分析84-87
• 4.1.2 入射角计算公式的推导87-89
• 4.1.3 末端损失率与有关参量的变化关系89-93
• 4.2 余弦损失效应和末端损失效应的补偿方法93-105
• 4.2.1 倾斜法93-97
• 4.2.2 加长吸热管法97-99
• 4.2.3 设置末端平面镜法99-105
• 4.3 PTC 轴向与光学效率的关系105-108
• 4.3.1 光学分析105-106
• 4.3.2 理论计算与分析106-108
• 4.3.3 典型气象数据的计算分析108
• 4.4 实验研究108-122
• 4.4.1 实验系统108-109
• 4.4.2 余弦损失和末端损失补偿实验109-120
• 4.4.3 PTC 轴向与热学效率的测量实验120-122
• 4.5 本章小结122-123
• 第五章 槽式太阳能集热器的跟踪控制设计方法研究123-141
• 5.1 跟踪方式概述123-124
• 5.2 一维太阳能跟踪系统的设计124-129
• 5.2.1 跟踪控制策略124-125
• 5.2.2 跟踪控制器的设计125-127
• 5.2.3 传感器的设计127-128
• 5.2.4 减速机构的设计128-129
• 5.3 相关跟踪问题研究129-140
• 5.3.1 跟踪精度的测量129-134
• 5.3.2 聚光器定向精度对 PTC 系统效率的影响134-136
• 5.3.3 关于太阳位置传感器的安装问题136-138
• 5.3.4 关于聚光器的旋转角行程问题138-140
• 5.4 本章小结140-141
• 第六章 槽式太阳能集热器阵列排布优化研究141-161
• 6.1 太阳能集热器阵列排布问题的研究现状141-142
• 6.2 单轴跟踪 PTC 阵列的排布优化142-153
• 6.2.1 PTC 阵列的几何遮挡模型142-147
• 6.2.2 日收集率与年收集率147
• 6.2.3 太阳光场的利用率147-148
• 6.2.4 计算结果与分析148-153
• 6.3 实验研究153-160
• 6.3.1 遮挡率对集热效率的影响实验153-155
• 6.3.2 直辐射对温升的影响实验155-156
• 6.3.3 工质流量对温升的影响实验156-157
• 6.3.4 传热管路热损实验157-160
• 6.4 本章小结160-161
• 第七章 槽式太阳能集热器在溴化锂吸收式制冷161-203
• 7.1 溴化锂吸收式制冷机的结构及工作原理161-163
• 7.1.1 溴化锂吸收式制冷机的分类161-162
• 7.1.2 单效溴化锂吸收式制冷机的工作原理162-163
• 7.2 PTC 驱动的单效溴化锂吸收式制冷循环实验系统163-167
• 7.2.1 制冷实验系统的组成163-166
• 7.2.2 测试系统描述166-167
• 7.3 系统的能量转换过程分析及测试167-173
• 7.3.1 制冷系统能量分析167-169
• 7.3.2 PTC 系统的热效率169-171
• 7.3.3 传热管路热损171-172
• 7.3.4 储热水箱热损172-173
• 7.3.5 系统的集热效率173
• 7.4 系统制冷性能实验173-188
• 7.4.1 制冷机组制冷过程能量分析173-175
• 7.4.2 实验结果175-180
• 7.4.3 实验结果分析180-182
• 7.4.4 加热温度对机组制冷性能的影响182-184
• 7.4.5 冷却温度对机组制冷性能的影响184-185
• 7.4.6 启动温度对机组制冷性能的影响185
• 7.4.7 机组制冷量与面积的匹配关系185-188
• 7.5 系统在供暖模式下的供暖性能研究188-193
• 7.5.1 系统供暖能量分析188-189
• 7.5.2 供暖性能实验结果189-191
• 7.5.3 系统制热量与制热面积的匹配关系191-193
• 7.6 系统的设计优化问题研究193-196
• 7.6.1 关于 PTC 的旋转角行程问题193
• 7.6.2 提高 PTC 效率的其它方法193-194
• 7.6.3 传热管路布置优化问题194-195
• 7.6.4 储热水箱设计优化问题195
• 7.6.5 PTC 集热面积与制冷机容量的匹配问题195-196
• 7.7 关于实现热能的高效利用问题研究196-201
• 7.7.1 制冷机的冷热联产问题196-197
• 7.7.2 利用制冷热泵两用机组197-199
• 7.7.3 采用双效溴化锂制冷机199-201
• 7.7.4 设置辅助加热系统201
• 7.8 本章小结201-203
• 第八章 总结与展望203-208
• 8.1 研究工作总结203-205
• 8.2 主要创新点205-206
• 8.3 研究展望206-208
• 参考文献208-217
• 攻读博士学位期间参与项目研究情况及所取得的研究成果217-219
• 致谢219

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

直通式太阳能真空集热管的热性能研究    戴薇薇;王军;苏中元;龚广杰;张耀明;

玄武岩与熔融硝酸盐的相容性研究    周卫兵;蔡凡凡;孙正;段洋;荆汝林;

基于吸热管反射成像法测量抛物槽式太阳能聚光器的面形误差    任兰旭;魏秀东;牛文达;肖君;卢振武;

高温集热管玻璃-金属封接技术研究现状    田英良;邵艳丽;孙诗兵;

腔体吸收器位置对太阳能槽式系统光热转换性能的影响    陈飞;李明;许成木;洪永瑞;

Al基底SS-AlN吸收层实验优化研究    陈智平;吴沫萱;李明;季旭;罗熙;

太阳能多碟聚光系统聚集特性及吸热器光热力特性    王富强

基于碟式的太阳能二次反射及其分频系统的数值模拟和实验研究    张艳梅

透射聚光型太阳能集热器牧草干燥应用理论研究    杜建强

基于碳捕集的太阳能—燃煤机组热力系统耦合特性研究    王继选

太阳能与燃煤机组互补电站热力特性与集成机理研究    胡永生

新型太阳能集热器性能分析与研究    吕园园