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圆锥 曲面 组合式 太阳能 集热器 研究 设计

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陕 西 科 技 大 学毕业论文任务书职业技术学院 专业机械设计制造及其自动化 班级081 学生:张亚欣题目： 圆锥曲面组合式太阳能集热器研究 毕业设计（论文）从 2012 年 3 月 1 日起到 2012 年 6 月 7 日课题的意义及研究目标： 解决能源紧缺和治理能源污染是当今世界重大战略问题，事关人类生存和可持续发展，利用可再生的洁净的太阳能则是一个有效的途径。而太阳能利用首先在于获取太阳能。太阳能集热器是获取太阳热能的装置，太阳能集热器是获取太阳热能的装置，一般由集热体、反射体、吸热体和跟踪机构等四部分组成。本课题试图从集热体、反射体和吸热体的几何结构方面进行不同圆锥曲面的组合，兼顾所用材料的光、热、机械性能和工作表面的微观组织结构要求进行研究，设计出具有创新性的一种高效太阳能集热器。 论文所需收集的原始数据与资料： 本论文所需知识及参考文献主要有： 1）机械原理和机械设计2）计算机辅助设计3）机械制造工艺学4）动力系统理论5）太阳能原理与技术6）热力学和传热学7）光学与高温材料8）碟式太阳能集热器参考文献课题的主要任务（需附有技术指标分析）： 本课题研究的主要内容有：1）圆锥曲面聚光式集热器研究现状；2）圆锥曲面形式及其及热特性；3）圆锥曲面组合结构动力系统理论；4）相关材料结构与性能研究;5）设计一种圆锥曲面组合式太阳能集热器。论文进度安排及完成的相关任务（以教学周为单位）：周 次论文任务及要求1-21）收集参考文献和实体调研。3-42）撰写论文：圆锥曲面聚光式集热器研究现状;5-63）撰写论文：圆锥曲面形式及其及热特性；7-94）撰写论文：圆锥曲面组合结构动力系统理论；10-115）撰写论文：相关材料结构与性能研究；12-147）设计一种圆锥曲面组合式太阳能集热器。16预答辩和答辩。 学生签名： 日期： 指导教师： 日期： 教研室主任： 日期： I 圆锥曲面组合式太阳能集热器研究 摘 要 本课题研究的是太阳能热发电系统的关键部件集热器，通过对已有的碟式集热器进行创新型改进，提高其热效率。也就是在已有的碟式集热器底部位置附加一个双曲面体，并在焦点位置换成具有反射作用的双曲面，吸热器改到底部接收太阳能。同时，运用组合式圆锥曲面的几何光学特性及涡动力学的相关理论，对原有及改进型集热器效率进行理论估算，并提出了验证实验，与原有集热器性能进行对比。最后指出了文章不足之处，提出对组合式圆锥曲面结构进一步研究的展望。关键词：太阳能集热器，碟式，双曲面IIConicalConical SurfaceSurface CombinedCombined TypeType SolarSolar EnergyEnergy CollectorCollector ResearchResearch ABSTRACTABSTRACTThis topic is the key to solar thermal power system components - collector, through the existing disc collector for innovative improvements to enhance the thermal efficiency. That is the existing position of the bottom disc collector attached to a hyperboloid body, and focus position into a reflex of the hyperboloid, the Ministry of heat sinks change in the end to receive solar energy. At the same time, the use of combined cone surface geometry and optical properties of the theory of vortex dynamics, the original collector efficiency and improved theoretical estimates, and proposed a verification experiment, and compare the performance of the original collector. Finally, the article pointed out the inadequacies of the structure made of composite conical surface for further study prospects.KEYKEY WORDSWORDS:solar collector , dish type，hyperboloidIII目 录摘 要 .IABSTRACT .II1 绪论 .11.1 太阳能的利用及其发展趋势 .11.1.1 太阳能概念 .11.1.2 太阳能的利用 .11.1.3 太阳能利用的类型 .11.1.4 太阳能发展趋势 .21.2 当前太阳能光热发电技术 .21.3 太阳能集热器、吸热器的定义与分类 .51.4 太阳能热发电的主要问题及本文的研究意义 .71.4.1 太阳能热发电的主要问题 .71.4.2 本文的研究内容及意义 .81.5 本章小结 .82 聚光太阳能集热器 .92.1 概述 .92.2 聚光集热器的类型 .92.3 聚光太阳能集热器的基本理论 .102.3.1 聚光比与集热温度 .102.3.2 理论聚光比和理论集热温度 .122.4 抛物面聚光集热器 .132.4.1 聚光器的几何参数 .132.4.2 聚光集热器的热学分析 .153 新型集热器的初步设计及计算 .173.1 新型集热器的结构及其可行性分析 .173.1.1 已有的模型 .173.1.2 本文采用的改进型集热器 .173.1.3 方案可行性论证 .203.2 不考虑涡环结构情况下改进后的热性能 .243.2.1 抛物面聚光比的选取确定 .243.3 考虑涡环结构后集热器的热性能 .283.3.1 涡环的形成 .28IV3.3.2 涡环结构的优越性 .293.4 本章小结 .344 新型集热器性能的模拟计算 .354.1 太阳能热发电系统的具体结构参数设计 .354.2 新型集热器的功率、效率对比验证模拟计算 .384.3 涡环结构对吸热器吸热效率的作用 .424.4 本章小结.425 总结与展望 .435.1 主要内容回顾 .435.2 研究成果 .435.3 研究展望 .43致 谢 .45参 考 文 献 .46圆锥曲面组合式太阳能集热器研究11 绪论1.1 太阳能的利用及其发展趋势1.1.1 太阳能概念 太阳能是太阳内部由“氢”聚变成“氦”的原子核反应产生的能量。太阳的核聚变可维持上百亿年，而地球尚可生存数十亿年，所以说利用太阳能的时间是无限的。太阳辐射到地球表面的太阳能量其功率为 80 万亿千瓦，每秒钟照射到地球上的，就相当于燃烧 500 万吨煤释放的热量。广义能量太阳能是地球上许多能量的来源，如风能、化学能、水的势能等。狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。人类利用大阳能已有三千多年的历史。将太阳能作为一种能源和动力加以利用，则只有三百年的历史。近代太阳能利用历史可以从 1615 年法国工程师发明第一台利用太阳加热空气使其膨胀做功而抽水的机器。三百年来，利用太阳能的研究和使用历经坎坷，主要原因是技术尚不成熟，并且投资大，效果不理想，难以与常规能源竞争，因而得不到公众、企业和政府的重视与支持。1.1.2 太阳能的利用太阳能是一种洁净的新能源，应用太阳能不会引起大气污染，也不会影响生态平衡。与煤炭、石油等常规能源相比，它具有以下特点：1）太阳能是地球上最主要的能源，处处都有太阳能，不需要运送，用一定的设备就可以就地应用，这对于边远地区，有更实际的意义。2）太阳能是人类可以利用的最丰富的能源。据估算，在过去漫长的11亿年中，太阳只消耗了它本身能量的2%。太阳是一个炽热的球体，它将源源不断的将能量辐射到地球上。3）虽然到达地球的太阳能量非常巨大，但这种能量分散，是一种低密度的间断性能源，要采集到足够功率的能源，收集装置面积必须大，因而造价高。但这是暂时性的，可以通过提高收集效率和采用廉价材料的方法来克服这些问题。4）太阳能的采集受气候、昼夜的影响较大。采集量极不稳定，因此必须有储能装置，以提高其热能采集及应用系统的稳定性。1.1.3 太阳能利用的类型 关于太阳能的利用有很多种分类，但较权威的一般吧太阳能的利用分为3种形式：(1)转化为电能，包括太阳能光伏发电( 通过半导体光伏电池直接把太阳辐射能转化为陕西科技大学毕业论文2电能 )和太阳能光热发电( 将太阳能转化为热能,然后利用热力循环的方法带动发电机发电)；(2)转化为热能，包括太阳能灶，太阳能温室，太阳能空调，海水淡化，太阳能建筑等；(3)转化为化学能，包括光合作用，能源植物，太阳能制氢等。其中，太阳能热发电主要包括两大类型：太阳能间接发电，即太阳能通过热机带动常规发动机发电；太阳能直接发电，太阳能利用半导体或金属材料的温差发电、真空器件的热电子和热离子发电等。前者已有一百多年的发展历史，而后者尚处于原理性实验阶段。通常所说的天阳能热发电技术主要指太阳能间接发电。本文仅研究太阳能间接光热发电技术。1.1.4 太阳能发展趋势 在煤炭、石油、天然气等常规能源日益减少,而人类对能源的需求越来越大的情况下,太阳能作为取之不尽、用之不竭、清洁环保的可再生能源,备受各国政府重视。国际太阳能利用技术和产品的日趋成熟,更为太阳能推广利用创造了条件。目前,可持续发展观念被普遍接受,太阳能开发、利用的研究也将掀起热潮。至本世纪中叶,世界范围内的能源问题、环境问题的最终解决将依靠可再生洁净能源特别是太阳能的开发利用,随着越来越多国家的政府和有识之士的重视,太阳能的利用技术也有望在短期内获得较大进展。越来越多的人们开始重视有机薄膜太阳能电池,制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础的,其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生的光电子转移效应。不论以何种材料来制作电池,对太阳能电池材料一般的要求有:1)半导体材料的禁带不能太宽;2)要有较高的光电转换效率;3)材料本身对环境不造成污染;4)材料便于工业化生产且性能稳定。基于以上几个方面的考虑,硅是最理想的太阳能电池材料,这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。但随着新材料的不断出现和相关技术的发展,以其他材料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。进入 21 世纪以来,世界各国都十分重视太阳能利用技术的开发,而我国由于得天独厚的地理位置而具有丰富的太阳能资源,我国的年太阳能辐射能量,据估计能达到 3 340 8 400MJ/m2。由此可见,充分开发利用太阳能资源是节省和替代常规能源的有效措施,是实现能源可持续发展战略的必由之路。而根据有关部门的预测,到 2050 年左右,太阳能将超过石油天然气等其他常规能源的使用规模而成为新能源的典型代表,进而在人类的生产、生活和社会展中扮演重要的角色。1.2 当前太阳能光热发电技术根据太阳能聚光形式的不同，聚集式太阳能热发电系统通常分为3种：槽式线聚集，塔式定日镜和碟式点聚焦。其中，槽式系统由于是线聚集，一般采用真空管式吸热器。塔式和碟式则是点聚集，一般采用腔式吸热器。1）槽式太阳能热发电系统圆锥曲面组合式太阳能集热器研究3槽式太阳能热发电系统是利用槽形抛物面反射镜将太阳光线聚焦到集热器上，对传热工质进行加热，经换热产生的蒸汽推动汽轮机带动发电机发电的能源动力系统。其特点是聚光集热器由许多分散布置的槽形抛物面聚光集热器串、并联组成，如图1所示。槽式太阳能热发电系统分为2种形式：传热工质在各个分散的聚光集热器中被加热形成蒸汽汇聚到汽轮机，称之为单回路系统，如图1-1a所示；传热工质在各个分散的聚光集热器中被加热汇聚到热交换器，经换热器再把热量传递给汽轮机回路，称之为双回路系统，如图1-1b所示：图1-1 槽式太阳能热发电系统工作图太阳能槽式发电系统是最早实现商业化的太阳能光热发电系统，它采用大面积的单轴槽式太阳能追踪采光板，通过对太阳光的聚焦，把太阳光聚集到安装在抛物线形反光镜焦点上的线形接收器上，并加热流过接收器的热传导液，使热传导液汽化，同时在能量区的热转换设备中产生高压、过热的蒸汽，然后送入常规的蒸汽涡轮发电机内进行发电。通常接收太阳光的采光板采用模块化布局，许多采光板通过串并联的放置，均匀的分布在南北轴线方向。槽式抛物面对太阳辐射多进行一维跟踪(如设备轴线南北方向布置，东西方向旋转跟踪)，其几何聚光比为10-100之间，温度可达400左右。一般地，系统由聚光集热装置、蓄热装置、热机发电装置或和辅助能源装置(如锅炉)等组成。2）塔式太阳能热发电系统塔式太阳热发电系统也称为集中式太阳能热发电系统，它利用定日镜跟踪太阳，并将太阳光聚焦在中心吸热塔顶部的吸热器上，在那里将聚焦的辐射能转变成热能，然后将热能传递给热力循环的工质，再驱动热机做功发电。塔式太阳热发电系统通常可达到的聚光比为1000-3000，运行温度可达500-2000。位于美国加州的Barstow地区的塔式太阳热发电系统，运行于19821988年之间，是当时世界上最大的验证第一代塔式发电技术的太阳能电站，设计容量为10MW。它由跟踪太阳光的定日镜、吸热器、蒸汽发生器、热量储存系统以及热机单元等组成。由平面镜、跟踪机构、支架等组成的定日镜阵列，可由微处理机控制实现最佳聚焦，始终对准太阳捕获并聚集太阳陕西科技大学毕业论文4辐射能，并把入射光投射到吸热塔顶端的吸热器上，再通过吸热器把热力循环的工质加热至较高温度;储存系统把部分热能储藏起来备用、以平衡系统能量供需;而热机单元实现热转功的功能，把太阳能转换为电能输出。吸热器中通入205的水，直接产生516、101bar的过热蒸汽，进入非再热的汽轮机膨胀做功，过热蒸汽也可以送入蓄热系统进行能量的存储，满足动力系统的启停和机组在夜晚时的用汽需求。如果要求在阴雨天和夜间也能正常发电，可以增加合适的常规燃料作为辅助能源的辅助能源子系统，以形成太阳能和化石燃料综合互补的多能源发电系统。另外不难看出，塔式太阳能热发电系统和槽式的系统相比，除聚光集热器有所不同之外，两者在系统构成和工作原理等方面都基本相似。塔式太阳能热发电系统与槽式太阳能热发电系统相比，其集热温度更高，易生产高参数蒸汽，因此，热动装置的效率相应提高。目前，塔式太阳能热发电系统的主要障碍是当定日镜场的集热功率增大时，即单塔的太阳能热发电系统大型化后，定日镜场的集热效率随之降低。针对上述问题，国外学者提出多塔的定日镜场形式，我国学者提出了槽塔结合的双级蓄热太阳能热发电系统，这些研究为塔式太阳能热发电技术的发展开拓了新方向。3）碟式太阳能热发电系统碟式系统也称之为盘式系统，主要特征是采用盘状抛物面镜聚光集热器，其结构从外形上看类似于大型抛物面雷达天线。由于盘状抛物面镜是一种吸热器接收的热量的聚焦集热器，其聚光比可以高达数百到数千，因而可以产生非常高的温度。另外，还可以采用混合动力的碟式太阳能热发电系统，采用燃料和太阳能互补的形式来发电。这种系统可以作为无电边远地区的小型电源独立运行，功率为l025kW，聚光镜直径约1015m。碟式太阳能热发电系统也可以做成较大的系统，即可以将多台装置并联起来，组成小型太阳能热发电电站，为用户提供电力需求。图1-2 碟式太阳能热发电系统圆锥曲面组合式太阳能集热器研究5其中，各种太阳能热发电系统的运行参数、优缺点对比以及投入商业化等情况如下表所示。表1-1 各种太阳能热发电系统的运行参数、优缺点对比1.3 太阳能集热器、吸热器的定义与分类太阳能集热器的定义是：吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置。这短短的定义却包含了丰富的含义：第一：太阳能集热器是一种装置；第二：太阳能集热器可以吸收太阳辐射；第三：太阳能能集热器可以产生热能；第四：太阳能集热器可以将热能传递到传热介质。 太阳能集热器虽然不是直接面向消费者的终端产品，但是太阳能集热器是组成各种太阳能热利用系统的关键部件。无论是太阳能热水器、太阳灶、主动式太阳房、太阳能温室还是太阳能干燥、太阳能工业加热、太阳能热发电等都离不开太阳能集热器，都是以太阳能集热器作为系统的动力或者核心部件的。太阳能集热器可以用多种方法进行分类，例如：按传热工质的类型；按进入采光口的太阳辐射是否改变方向；按是否跟踪太阳；按是否有真空空间；按工作温度范围等。最常见、实用的分类就是按照进入采光口的太阳辐射是否改变方向分类。这样，太阳能集热器可分为两大类型。1）非聚光型集热器对应平板式吸热器。具体的吸热器类型有管板式、翼管式、扁盒式、蛇管式等非聚光型太阳能集热器是进入采光口的太阳辐射不改变方向也不集中射到吸热体上的太阳集热器。2）聚光型集热器聚光型集热器是利用反射器、透镜或其他光学器件将进入采光口的太阳辐射改变方向并聚集到吸热体上的太阳能集热器。对于聚光型集热器，以上分类还可以进一步细分。可以有以下几种方法对其进行分类。陕西科技大学毕业论文6a）按聚光是否成像，分为：成像集热器和非成像集热器未讨论具体的聚焦方式，吸热器类型待定。b）按聚焦方式，分为：线聚焦集热器：线聚焦集热器是使太阳能辐射汇聚到一个平面上并形成一条焦线（或焦带）的聚光集热器对应真空管式吸热器；点聚焦集热器：点聚焦集热器是使太阳辐射基本上汇聚到一个焦点（或焦斑）的聚光型集热器对应腔式吸热器。c）按反射器的类型，分为：槽型抛物面集热器：又称为抛物槽集热器，它是通过一个具有抛物线横截面的槽型反射器来聚焦太阳辐射的线聚焦集热器对应真空管式吸热器；旋转抛物面集热器：又称为抛物盘集热器，它是通过一个由抛物线旋转而成的盘形反射器来聚焦太阳辐射的点聚焦集热器。其它聚光型集热器，常见有：复合抛物面集热器：又称为 CPC 集热器，它是利用若干块抛物面镜组成的反射器来会聚太阳辐射的非成像集热器对应真空管式吸热器；多反射平面集热器：多反射平面集热器是利用许多平面反射镜片将太阳辐射聚焦到一小面积或细长带上的聚光型集热器未讨论具体的聚焦集热方式，吸热器类型待定；菲涅耳集热器：菲涅耳集热器是利用菲涅耳透镜将太阳辐射聚焦到接收器上的聚光型集热器未讨论具体的集热方式。对集热器分类的介绍就到此为止。鉴于本文研究内容及吸热器在集热器中的重要性，我们来重点分析一下吸热器。如上所述，在太阳能热能转换装置中，吸热装置负责吸收太阳辐射并转化为热能，所以提高吸收器对太阳短波辐射的吸收能力以及减少吸收器和环境的散热可以有效地提高集热器、吸热器的效率。鉴于本文中采用的吸热器是碟式双轴跟踪系统中的腔式吸热器，故本文只介绍聚光型太阳能热发电系统对应的吸热器，具体分析腔式吸热器。目前的太阳能热发电技术主要是采用聚光型太阳能热发电技术。聚光型太阳能热发电技术是利用各种聚光装置将低能流密度的太阳光能聚集放大，投射到吸热器上，再进行能量转换利用。最常用的聚光型发电技术主要有三种:抛物槽式、塔式和碟式。其中，点聚集集热的热发电系统有塔式系统、碟式（盘式）系统。通常采用腔式吸热器；线聚集集热的系统有槽式系统。通常采用直通的真空管式吸热器。下面来详细介绍。1） 线聚焦型吸热器。槽式太阳能热发电系统采用的是线聚焦型聚光方式。通常采用的是真空管式吸热器。关于真空管式吸热器，它是一种由表面镀有太阳选择性膜层的钢管及玻璃外套管组成的吸热器，钢管与套管之间为真空，以减少对流和传导热损失。具体可见图 1-3。圆锥曲面组合式太阳能集热器研究7真空管吸热器的优点为：吸热管中无对流损失，有选择性涂层，对阳光的吸收率很高，而其在工作温度下的发射率很低。其缺点为：为保持长期高真空及选择性涂层的稳定性，工艺复杂，成本高，较大的流通断面造成工作流体的雷诺数较低，即从管壁至流体的换热系数较低，加之吸热管上的热密度大，故造成管壁与工作流体的温差加大，增大了热损失。2）点聚焦式聚光系统的吸热器在点聚焦式太阳能热发电系统中，吸热器通常采用的是腔式结构。未来减少热损失，腔式吸热器的侧壁一般两层材料构成的。内壁涂有类似黑体的吸热材料，外壁是绝热材料，中间抽成真空。作为发电系统的核心部件。腔式吸热器的常见结构有圆柱形、平顶锥形、椭圆形、球形及复合平顶锥形等。具体的结构可以根据设计要求选取。腔式吸热器对应的热发电系统有塔式和碟式两种。影响腔式吸热器性能的主要因素是它的光学效率和热效率。腔体吸热器热损失主要有四个方面。即：腔体内表面对聚焦光的反射热损失、腔体内表面通过采光口的辐射损失、腔体采光口的对流热损失及腔体壁面的导热损失。尽可能的减少这四种热损失是研制高效吸热器的关键所在。从结构上来说，腔体开口大小、开口位置、倾斜角度以及腔体长径比等是主要影响参数。由此可见，腔体吸收器结构变化将会改变其集热性能。1.4 太阳能热发电的主要问题及本文的研究意义1.4.1 太阳能热发电的主要问题虽然太阳能无限丰富且可以采用不同的形式加以利用，但人类活动中，我们只是直接利用很少的太阳能，太阳能只占世界电能产量的0.015%,太阳能只占全球加热空间和水的热能总量的0.3%。而且，太阳能转换效率低、价格昂贵，使得其利用潜力与实际利用间存在巨大的落差。化石能源较太阳能价格低得多，能够满足我们目前的对能源的需求，且化石能源矿物相对集中，而太阳能在地球表面均匀分布、能量密度不高。高价格和低转换率，限制了太阳能的利用，这就提出了重要的研究课题：寻找便宜、高效的太阳能利用途径。从性能技术方面来看，造成太阳能热发电成本高的原因主要有以下3个方面。陕西科技大学毕业论文8(1)进入大气层的太阳能能流密度低，需要大面积的光学反射装置和昂贵的接收装置将太阳能直接转换为热能，这一过程的投资成本约占整个电站投资的一半。(2)太阳能热发电系统的发电效率低，年太阳能净发电效率不超过15。在相同的装机容量下，较低的发电效率需要更多的聚光集热装置，增加了投资成本。(3)由于太阳能供应不连续、不稳定，需要在系统中增加蓄热装置，大容量的电站需要庞大的蓄热装置和管路系统，造成整个电站系统结构复杂，增加了成本。其中，太阳能发电效率低下是问题的关键，如何提高系统中关键部件的性能，大幅度降低太阳能热发电的投资成本，快速进入商业化。是快速推广太阳能为下一代替代能源的关键。此外，从材料方面分析，太阳能热发电技术领域有3大材料是制约其技术进步的关键因素：（1）中高温太阳能选择性吸热材料；（2）高性能、低成本太阳能反射材料，太阳能聚光反射镜长期暴露在室外空气环境中，反射材料除了要求具有高的太阳光反射率外， 还要具有很强的抗风沙、 耐潮湿、耐腐蚀、耐磨擦等特性；（3）高效蓄热传热、储热材料研究。对此3种材料开展应用基础研究和关键技术攻关对推动太阳能热发电的大规模应用具有重要的战略意义。1.4.2 本文的研究内容及意义众所周知，集热器是太阳能热发电系统的关键部件，也是太阳能热发电系统中最具技术挑战性的研究课题。集热器的热性能的提高对提高太阳能热发电系统的发电效率有着至关重要的意义。集热器的传热具有以下几个特点：能量分布时间和空间的高度不均匀性、较高的工作温度、极高的热流密度、辐射传导对流相互耦合的能量传递过程等。因此，开展对集热器的复杂多物理传递规律研究，针对组合式太阳能集热器建立描述能量传递过程的数学物理模型；对集热器的吸热器在不同传热介质（水、空气、熔盐等）在高温高热流密度条件下的复杂耦合传热过程进行实验研究和模拟预测；分析太阳辐射热流密度及其分布、表面的辐射及反射性能等对提高吸热器性能及太阳能热发电系统的效率是极为有意义的。本文的主要研究对象是运用与碟式太阳能热发电系统中的碟式集热器。主要思路是对已有的碟式集热器进行改进，以提高其热效率。改进方案就是在已有的碟式集热器底部位置附加一个单叶双曲面体，并在焦点位置换成具有反射作用的双曲面体，吸热器改到底部接收太阳能。同时，运用组合式圆锥曲面的几何光学特性及涡动力学的相关理论，利用双曲面结构的抽吸作用结合入射能流在吸热器投射体的表面形成一个涡环。由于涡环具有的漩涡特性，这样就可以增强反射光线强度并延长入射能流在吸热器表面的驻留时间，甚至有可能使能量二次入射。进而提高组合式集热器的吸热性能。圆锥曲面组合式太阳能集热器研究91.5 本章小结本章介绍了世界能源消费的现状以及未来的发展趋势，提出可再生能源是解决能源危机、环境污染等问题的有效途径。作为一种发展前景广阔的可再生能源，本章总结了太阳能利用现状及常见的太阳能热发电技术基本状况和当前常用的三种集热器类型。然后介绍了制约太阳能应用的关键问题及对原有碟式集热器的改进和利用组合式圆锥曲面提高碟式太阳能热发电系统集热器性能的研究思路及研究意义。2 聚光太阳能集热器 2.1 概述太阳能集热器的定义是：吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热工质的装置。集热器是组成各种太阳能利用系统的关键部件，包括太阳能发电系统，太阳能空调制冷系统等。不同的集热方法形成了不同的集热类型，本章主要针对目前出现的主要太阳能集热器进行介绍，针对聚焦式太阳能集热器进行分析，并在此基础上设计出组合式圆锥曲面集热器。聚光太阳能集热器可以看成由光源、聚光器和接收器组成的光学系统。光源是移动着的太阳，聚光器以反射或折射的方式把达到光孔（亦称为“开口”）上的太阳辐射集中到接收器的小面积上，接收器内的传热介质把小面积上由太阳辐射转换成的热能带走。因此聚光太阳能集热器在接收器上可以获得比非聚光的平板集热器和真空管集热器都高得多的集热温度。聚光太阳能集热器的种类很多，分类方法也各不相同。例如，按聚光是否将太阳成像进行分类，可以分为线聚焦集热器和点聚焦集热器两大类；按反射器的类型进行分类，可以分为槽型抛物面聚光集热器、旋转抛物面聚光集热器等等。本章将首先介绍聚光太阳能集热器的各种类型，并给出其中几种的结构示意图。本章还将介绍有关聚光太阳能集热器的一些基本理论，在阐述聚光比的定义之后说明不同类型的聚光集热器，有不同的聚光比范围及不同的集热温度范围，并讨论聚光比的理论极限问题。抛物面（包括槽型抛物面和旋转抛物面）聚光集热器在太阳能热利用中占有重要地位，特别在太阳能空调制冷，太阳能工业加热、太阳能热发电，太阳炉等中高温太阳能领域的应用最多。所以，所以本章将从各个方面重点讨论抛物面聚光集热器，包陕西科技大学毕业论文10括这种聚光集热器的几何参数、集热器的光学分析、集热器的热性能分析等。复合抛物面聚光集热器（CPC 集热器）在太阳能热水、太阳能采暖、太阳能空调制冷等中低温太阳能领域中应用也越来越多。由于抛物面聚光集热器具有较高的聚光比和即热温度，是太阳能热利用的重要类型，所以本课题会再对抛物面聚光集热器研究介绍的基础上，设计出由旋转抛物面和旋转双曲面组成的圆锥曲面组合式太阳能集热器，并证明这种集热器具有更高的集热效率和光学性能.2.2 聚光集热器的类型 聚光集热器主要由聚光器、吸收器和跟踪系统三大部分组成。按照聚光原理区分，聚光集热器基本可分为反射聚光和折射聚光两大类，每一类中按照聚光器的不同又可分为若干种。为了满足太阳能利用的要求，简化跟踪机构，提高可靠性，降低成本，在本世纪研制开发的聚光集热器品种很多，但推广应用的数量远比平板集热器少，商业化程度也低。1) 按聚光是否将太阳成像分类a) 成像聚光集热器是使太阳辐射聚焦，即在接收器上形成焦点（焦斑或焦线）的聚光集热器。b) 非成像聚光集热器使太阳辐射会聚到一个较小的接收器上而不使太阳辐射聚焦，不在接收器上形成焦斑或焦点。2) 对成像集热器，按聚焦的形式分类a）线聚焦集热器线聚焦集热器是成像集热器的一种，它是使太阳辐射会聚到一个平面上并形成一条焦线的聚光集热器。b）点聚焦集热器点聚焦集热器也是成像集热器的一种，它是使太阳辐射基本上会聚到一个一个焦点（或焦斑）的聚光集热器。3) 对成像集热器按反射器的类型分类a) 槽型抛物面聚光集热器又称为抛物煮面聚光集热器或抛物槽聚光集热器，它是通过一个由抛物线横截面的槽型反射器来聚焦太阳辐射的一种线聚焦集热器。b) 旋转抛物面聚光集热器又称为抛物盘聚光集热器，它是通过一个由抛物线旋转而成的盘形反射器来聚焦太阳辐射的一种点聚焦集热器。4)对非成像集热器，按反射器的类型分类a) 复合抛物面聚光集热器又称为 CPC 集热器，它是利用若干块抛物面镜组成的反射器来会聚太阳辐射的一种非成像聚光对成像集热器。b) 多平面聚光对成像集热器又称为塔式集热器，它是利用平面反射镜组成的多台反射器，将太阳辐射集中到位于高塔顶部的接收器上的一种非成像集热器。c) 条形面聚光集热器又称为 FMSC 聚光集热器，它是利用若干条固定的平面圆锥曲面组合式太阳能集热器研究11反射镜组成的反射器，将太阳辐射聚焦到跟踪太阳的接收器上的一种非成像集热器。d)球形面聚光集热器又称为 SRTA 集热器，它是通过一个由半圆旋转而的球形反射器，将太阳辐射聚焦到踪太阳的接收器上的一种非成像集热器。e）锥形面聚光集热器它是通过一个由抛物线旋转而成的盘形反射器，将太阳辐射聚焦到踪太阳的接收器上的一种非成像集热器。5) 其他类型的聚光集热器菲涅耳反射镜聚光集热器它是利用菲涅耳反射镜，通过发表社方式来会聚太阳能的一种成像集热器。2.3 聚光太阳能集热器的基本理论2.3.1 聚光比与集热温度根据能量守恒定律，在稳定状态下，聚光集热器在规定时间内的有效能量收益，等于同一时段内接收器得到的减去接收器对周围环境散失的能量，即： （2-1）lruQQQ式中为聚光集热器在规定时段内的有效能量收益，W；为同一时段内接收器uQrQ得到的能量，W；为同一时段内接收器对周围环境散失的能量，W。lQ聚光集热器的效率可定义为：在稳态条件下，集热器传热工质在规定时段内的有效能量收益与聚光器光孔面积和同一时段内垂直投射到聚光器光孔上太阳辐照量的乘积只比，即： （2-aaarLaauAGttUAGQc)(02）式中，为聚光集热器的效率，无因次；为同一时段内投射到聚光器光孔上太阳辐caG照量，W/； 为聚光器光孔的面积，；为聚光集热器的光学效率，无因次；2maA2m0为集热器总散热损失系数，W/（K） ；为接收器温度，；为环境温度，lU2mrtCat。C聚光器光孔的面积与接收器上接受辐射的表面积之比，成为聚光集热器的几aArA何聚光比，通常以 C 表示，则有： （2-raAAC 3）聚光比 C 反应出聚光集热器使能量集中的可能程度，是聚光集热器的特征参数。将式（2-3）带入（2-2） ，可得到聚光集热器的瞬时效率方程：陕西科技大学毕业论文12 aarLGTTUCc)(10（2-4）聚光集热器的聚光比 C1，即接收器向环境散热的表面积总是小于聚光器的光孔的面积，这样有利于减小集热器的散热损失。 aarAGQ0（2-5）光学效率表示聚光集热器的光学性能。由于在聚集太阳辐射的光学过程中，聚光器0不可能达到理性化程度而引起的光学损失要比平板集热器的情况显著，聚光器一般只能利用太阳辐射的直射分量，只有聚光比很小的聚光集热器才能利用小部分的漫射分量。因此，在聚光集热器的能量平衡中，必须考虑光学损失及漫射分量的损失。若要求集热器的供热温度越高，就需要越大的聚光比2.3.2 理论聚光比和理论集热温度聚光集热器的基本问题是如何使均匀投射在聚光器光孔上的太阳辐射集中到接收器的表面上，已得到较高的聚光比，达到较高的集热温度。集热系统可能达到的聚光比，有热力学上的光学上饿限制。在犹表面 1 和表面 2组成的辐射换热系统中。根据辐射换热原理，在太阳与聚光孔、太阳接收器表面之间存在如下关系： asasasfAfA（2-6） rsrsrsfAfA（2-7）式中 a 表示聚光器光孔，r 表示接收器表面，s 表示太阳。于是，聚光比 C 可表示为： srasrssaraffffAAC（2-8）对理想的聚光集热器，进入聚光器光孔的太阳辐射将全部到达接收器表面，由于1，所以rsf fsfC1（2-9）在图 2.2 表示的太阳辐射聚光系统中，设聚光器光孔距离太阳辐射中心的距离为R。圆锥曲面组合式太阳能集热器研究13 图 2-2 太阳辐射聚光系统示意图当 r/R 不变时，。若假设该系统处于无限真空的空间根据热力学第二0/2RAa定律。因此，asasFf asFC1max（2-10）若将角 2定义为：在此角度内，均匀投射到光孔上的太阳辐射全部都能到达接max收器表面上的最大角度，称为“采光角” 。对于三维聚光集热 max2sin23max,DC（2-11）式中称为采光半角，表示辐射可被接收器接受的范围。实际上采光角 2范围可maxmax约由 1/2 度到 180 度，所以对于准确跟踪的点聚光集热器，理论聚光比上限的数量级为:4000)25.0(sin23max,2DC当然，实际的聚光比由于跟踪误差及反射或折射表面不理想等因素的影响，是远远达不到这些水平。当环境温度是绝对零度时，接收器接受的太阳辐射功率为 4ssasrTFAQ（2-12）其中，是接收器接受的太阳辐射功率，W；是太阳表面的有效温度，K；为聚光rQsT器反射镜的太阳反光比，无因次；为聚光器透镜和接收器透明盖层太阳投射比；为接收器表面的太阳吸收比，无因次。当选择，则对于三维聚光集热器，有；25. 0max 42)4/1 (sinsarTAQ（2-13）忽略接收器通过对流和传热损失在环境的热损失，则接收器的热损失功率：maxARS陕西科技大学毕业论文14 4ssasrlTFAQ（2-14）其中，为接收器的热损失功率，为接收器表面的温度，K。lQrT作为上限分析，可令。于是当时，可得到集热温度的理论极限是：1lrQQ sCCrTTr41max)(（2-15）散射不像直射辐射那样有一定方向，所以必有一部分散射辐射落在采光角之外不能被收集。假定在聚光器光孔上的散射辐射是各向性的，则经过分析推到可以证明，对于任何聚光集热器来说，投射到聚光器来说，投射到光孔上的散射辐射中至少有 1/C可以到达接收器。2.4 抛物面聚光集热器2.4.1 聚光器的几何参数抛物面聚光集热器在接收器上形成太阳像。反射镜和接收器的形状和尺寸应力求得到尽可能多的能量及达到尽可能高的聚光比。任何聚光系统都产生一定大小的理论抬太阳像，它取决于太阳圆面视角及系统的几何形状。实际上，即使是光学上非常精密的理想系统所形成的影像，通常也不是很清晰的。下图给出了位于焦点、垂直于抛物面光轴的平面上的理想太阳像的截面图形。光孔是聚光器的开口面积或投影面积，是决定聚光集热器总能量的因素。令：图 2.3 在垂直于抛物面光轴的焦平面上的理想太阳像的截面图通常将 n 称为“相对光孔” ，亦称为开口比。一般情况下，按接收器分为平面接收器和圆形接收器，由于本课题研究的是关于圆形接收器的相关内容，所以下文将会就旋转抛物面集热器的圆形接收器的进行分析。d166图 2.4 圆形接收器的几何关系rf距离强度圆锥曲面组合式太阳能集热器研究15 圆形接收器的几何关系见图 2.4 所示，途中假设接收器尺寸恰好为聚光器反射镜面边缘光所形成的太阳像尺寸。d 表示圆形接收器的直径，表示圆形接收器中心到mr反射镜面边缘的距离。对于旋转抛物面集热器来说，接收器为圆球，聚光比 C 与相对光孔 n 的关系为： 224)(dnfAAraC（2-16）经过数学推导可得： )1 (16max2nfr（2-17） 16sin2maxrd （2-18）将上述两式代入（2-16）中，可得： （2-2162221622)1(2890)16sin2)(1(4)(nnnrnfC19） a陕西科技大学毕业论文16当 n1 时，则 C 2890 。令 dC/dn=0，可得 n=4 时有最大聚光比11550.2nmaxC2.4.2 聚光集热器的热学分析投射到聚光集热器上的太阳辐射，在聚焦过程中可以分为三类：第一，散射辐射损失；第二：光反射损失；第三：聚焦损失。下面分别讨论这三种损失。1）散射辐射损失如果某种聚光器只能利用太阳的直射辐射，即散射辐射全部损失，则能量平衡中投射到聚光器光孔上的太阳辐射应当是，其中是直射太阳辐照度，为倾斜bbRGbGbR面上和水平面上直射太阳辐照度得比值。然而，采光角较大的聚光集热器仍可吸收其中相当一部分辐射散射。若假定在聚光器光孔上的散射辐射是各向同性的，则投射到聚光器光孔上的散射辐射中至少有 1/ C 可以到达接收器。2）光反射损失光反射损失的大小常用镜反射比来评定。定义为：投射到反射面面上的平行光符合反射角等于投射角的百分数。它是表面性质及表面光滑度的函数。当接收器具有透明盖层时，透明盖层的影响可以用透射比来考虑， 。接收器表面的性能也可以用吸收比表示。当使用空腔形接收器时，可接近于 1，与都和太阳辐射对于透明盖层与接收器的平均投射角有关。反射光束对于接收器的投射角取决于光束在镜面上反射点的位置和接收器的形状。乘积的值必定是通过透明盖层和镜面各点反射到接收器上的辐射作用积分求得的平均值。3）聚焦损失由镜面反射的辐射通常会有一部分不能投到接收器上，特别是当镜面和接收器配合不当时。这种反射损失的大小可以采用采集因子表示。采集因子表示镜面反射的辐射落到接收器上的百分数。当聚光器的光学性能一定时，增大接收器的尺寸可以减小光学损失，但要引起热损失的增大，反之亦然。因此接收器的尺寸应以热损失和光学损失总和减至最少为适当。圆锥曲面组合式太阳能集热器研究173 新型集热器的初步设计及计算3.1 新型集热器的结构及其可行性分析3.1.1 已有的模型本文的研究对象是碟式双轴跟踪式太阳能热发电系统的集热器。太阳能热发电系统由聚光集热系统和热电转换系统组成。对于集热系统，其功能是收集能量并将其转变为热电转换系统所能吸收的热能。在文献7中，集热系统采用的是旋转抛物面聚光集热结构。具体的集热系统模型示意图及吸热器结构参数见下图 3-1： 图 3-1 原有太阳能集热器统结构陕西科技大学毕业论文18之所以采用抛物面集热器结构，是因为聚光式太阳能集热器是将一定面积上的太阳能集中到更小面积上，因而获得更高温的热能。在需要高温热能的太阳能热利用系统，由于太阳辐射的能留密度低，平板型集热器达不到所需要的高温，必须设法提高其接受到的能留密度才能提高集热器的供热温度。而且聚焦型集热器是由聚光器以反射的方式将投射到光孔上的太阳光集中到接收器上形成焦面，接收器将光能转换成热能，再由介质带走。由于接收器上的能留密度可能很高，所以能达到很高的温度，这就为太阳能热利用提供了更为有利的条件。结果显示：聚光式比平板式集热器的热性能好。这些研究主要针对功率较小，温度较低的集热系统。而碟式集热器结构简单、热性能较好，是比较理想的太阳能集热器。关于腔式吸热器，可以分为如下类型：圆形、半圆形、正方形、三角形四种腔体结构，入射光线进入圆形腔体达到腔体吸收面，经过反射有部分光线又从开口处出射。本文选择的是球形腔式吸热器。 3.1.2 本文采用的改进型集热器正如以上所提到的，已有的集热器结构仅仅是针对功率较小，温度较低的集热系统。太阳能集热器集热温度与聚光比有着重要关系，要想取得更高的集热温度，就要汇聚更多的太阳能，增大聚光比。本文前面介绍了传统的碟式太阳能集热器，温度较高时，在焦斑处温度分部不均匀，从中心到四周逐渐降低，原有的吸热器的热损失极为严重，这样可能使中心部分材料破坏，而使集热器损坏。而碟式太阳能热发电系统的工作温度一般都较高，所以必须考虑对原有的集热器和吸热器进行改造。这也正是本文中所要做的工作。本文采用的改进方案是：首先，在抛物面焦点位置处增设透射体结构；其次，在吸热器的开口处加设一个投射体的部件，结合一定的投射体的结构，使得入射能量在投射体表面边缘形成一种涡环。进而增强能量在投射体的表面的驻留。以达到加强换热、提高集热器和吸热器吸热效率的目的。图 3-3 即为改造后的集热系统的示意图和平面示意结构图。圆锥曲面组合式太阳能集热器研究19图 3-2 改进后太阳能热发电系统模型说明：考虑到地面上，有一定的粉尘、颗粒等杂志，光线的辐射肯定会遇到一定的散射，不过为了研究方便，本文只考虑光线的直射辐射。从图中可以看出，本文对已有的方案的改进主要从两方面来完成：1）集热器结构：在碟式集热器基础上结合了双曲面结构，即在抛物面底部加入旋转双曲面，由此可以抽吸抛物聚光面内的直射和散射的太阳能，直射下来的光柱会因为散射能量粒子的加入而增大能量密度，增强分子运动速度，提高能留密度，更有效地利用了聚光器内太阳能，为提高吸热器温度准备了条件。如图 3-2 上部分.2）吸热方式：本文将吸热器的位置从焦点处改到了抛物面底部。采用旋转抛物面焦点处反光，抛物面底部吸热方式，见图 3-2。可行性分析：本文之所以采用抛物面底部布置吸热器主要是考虑两方面的因素。如果在焦点位置吸热，第一，当采用原有的吸热器时，此处的空气对流相对与抛物面底部就比较容易，会导致热对流损失比较严重，不利于吸热器的高效运行；第二，采用改进型的吸热器后，尽管不存在对流损失的问题，但是，本文采用的聚光方式是将光线聚焦，再经过焦点位置的反射体将光线反射到吸热器位置。这样，光线不是作为一种聚焦光被吸热器吸收，而是被反射体作为一个光柱反射到吸热器位置。所以，吸热器内腔表面材料的吸热就不存在吸热不均匀的情况，同时，不会存在部分位置因高温而将吸热材料烧坏等现象。这样，提高吸热器的吸热效率的同时也会提高系统运行的稳定性。陕西科技大学毕业论文20当然，这样做也会带来问题：吸热方式改变之后，会存在更多的反射损失，因为聚焦光进行了二次反射。故反射损失会增大，有一部分能量会在反射过程中浪费掉，会影响到集热系统的总效率。所以，对于这部分的热损失，在介绍吸热器热损失时是不予考虑的，在下一章中考虑太阳能热发电系统总功率时予以考虑。不过，正如上面提到的，这个改进和透射体的改进同时起作用。透射体的增设就是为了大大提高吸热器的一次吸热率，能量一旦进入吸热器，那么，从吸热器中辐射出来的概率就极小了。综合的结果一定会在吸热效率上起到积极效果，这个我们在下面会给予详细的证明。3）吸热器腔口透射体的加入：透射体实际上是一种由透明(或半透明) 材料的组成的板状部件。它的功能主要有三：一是透过太阳辐射，使其投射在吸热器内；二是保护吸热板，使其不受灰尘及雨雪的侵蚀；三是形成温室效应，阻止吸热板在温度升高后通过对流和辐射向周围环境散热。对透射体的技术要求一般有以下几项：a)太阳透射比高透射体可以尽可能多的透过太阳辐射能；b)红外透射比低透射体可以阻止吸热腔内壁在温度升高后的热辐射；c)冲击强度高透明盖板受到一些冰雹、碎沙石（考虑到碟式太阳能热发电系统一般用于小型发电，在西北地区尤为适合。所以，不得不考虑西部地区的天气因素）等外力的撞击不会破碎；d)耐热性能好透射体经各种气候条件长期侵蚀后性能无明显的变化。低温状态下，用于透明盖板的材料主要有两大类：平板玻璃和玻璃钢板。平板玻璃具有红外透射比低、导热系数小、耐候性能小等特点，在这方面无疑是可以很好的满足太阳能集热的要求，然而，对于平板玻璃来说，太阳透射比和冲击强度是两个值得重视的问题。但是，鉴于普通玻璃的熔点一般较低，本文中采用的腔式吸热器的工作温度一般较高。在选择透射材料时，必须同时考虑对其的技术要求和材料本身的耐高温性能。在文献16中，对于石英玻璃的其它性能，有一个系统的介绍。石英玻璃的光学性能有其独到之处，它既可以透过远紫外光谱，是所有透紫外光学透射材料的最优者，又可透过可见光和近红外光谱。用户可以根据需要，从波段范围内任意0.1853.5m选择所需品种。由于石英玻璃耐高温，热膨胀系数极小，化学热稳定性好，气泡、条纹、均匀性、双折射又可与一般光学玻璃媲美，所以它是在各种恶劣场合下工作具有高稳定度光学系统的必不可少的光学材料。综合考虑透射材料的性能要求，本文采用的透射材料是透明石英玻璃。对于石英玻璃的光学、热学性能，在下面具体的问题中会介绍，此处不再赘述。圆锥曲面组合式太阳能集热器研究213.1.3 方案可行性论证集热器的热损失主要是聚光面光反射损失和吸热器的的各种热损失。聚光面损失和传统集热器一样。对吸热器要考虑透射体加入的可行性，必须详细分析各类热损。对于各类热损失的介绍，在文献1中有详细的内容。可行性分析：1）未加透射体前的各类热损失数据：a)腔体内表面对聚焦光的反射损失：设腔式吸热器内腔表面积为，吸热器采光口面积为。由文献9可给出有效wA1A吸收率为: （3-1）式中， 腔体壁面材料对太阳辐射的吸收系数反射率为：cov （3-2） 所以，反射热损失： （3-3）由以上公式可以看出，由于腔体内壁面对提太阳辐射的吸收系数一般为常数，所以材料吸热器表面积、采光口面积确定时，吸热器的反射热损失一般确定。且只有开口面积等于腔体内壁表面积时，反射热损失最大。文献7中，以为 0.85 为例，腔体对wa入射光的反射损失大约为 0.15。同时，可以看出腔体反射率与吸热器的结构参数和腔体内壁的吸热涂料有密切的关系，是吸热器的固有属性。一般不会因其它的参数而改变。b)腔体的辐射热损失 辐射热损失来自于腔体内表面和环境间的辐射换热与太阳光反射后溢出采光口部分太阳能。文献7有计算腔体内表面与环境间的辐射换热公式。由于腔式吸热器与环境相比无穷小,由简化计算可得出腔体与环境的辐射换热关系式为： （3-4）式中，斯忒藩玻耳兹曼常数（）8245.67 10/WmKcov11 (1)(1/)wwwaaaAAWacovcov1111 (1)(1/) wwwaaaAA441() radapwsPTTAcov111 (1)(1)wreapapwwaPPPAaA陕西科技大学毕业论文22 腔体的有效发射率ap （3-5） 腔体内壁的平均温度wT 环境温度1Tc)腔体的对流热损失 吸热器的对流热损失包括腔内温度和环境温度差带来的自然对流，以及环境风引起的强迫对流。对流热损失随腔体形状、开口方向、腔的倾角、腔体内部温度以及环境空气温度、风向、风速等而变化，因此很难分析腔体的对流热损失。为简化计算， 本文计算中只考虑自然对流情况。计算腔式吸热器自然对流损失的模型有很多，其中文献10 给出的模型中吸热器形状和平顶锥形类似，因此采用此模型计算。 （3-6）式中，1.120.98/apsdLNusselt 数； 腔体轴的倾斜角；环境空气温度NuaT腔内平均温度；格拉晓夫数；腔式吸热器采光口直径LLGrapd由上式可得腔体的对流热损失为： （3-7）当=0 时，将增大到，。当角度增大时，自然对流将减小。 但Nu0Nu2.470cosNuNu对双轴跟踪聚光器，其倾角等于太阳高度角只随季节而变。d)腔体的导热损失 假设和已知，为吸热器外表面积，为吸热器内腔面积， 为腔体壁厚， wTaT0AwAt为腔体的导热系数。则腔体壁面的导热热损失可由下式计算： （3-8）空腔外表面积的自然对流换热系数采用文献12中的经验公式进行计算。此外吸热cavh器在反射镜上的投影会减少进入吸热器的反射光，因此，需优化腔体保温材料厚度。2) 增加投射体之后的各类热损失数据a)腔体内表面对聚焦光的反射损失：11 (1)(1/)wapwwAA1/30.182.470.088()(cos )()apswLadTNuGrTL1/30.182.4711()0.088()(cos )()( )()apswconvapwaLwaadTPhTT AGrTT ATLL001()/ ()condwacavwtPTTA hA A圆锥曲面组合式太阳能集热器研究23与原有的吸热器不同的是，腔体的反射热损失在加入透射体后并不取决于腔体壁面材料对太阳辐射的吸收系数，而是取决于吸热器透射体材料的对入射光的反射率。从透射体上直接反射的热损失。此部分损失取决于透射材料的太阳辐射透射比。在文献15中有相关介绍：对于石英玻璃透明材料，其光学性能极佳。可以和光学玻璃相媲美。用户可以根据需要，从波段范围内任意选择所需品种。我国0.1853.5m的普通平板玻璃的太阳透射比大多在 0.8-0.9 之间。而根据平板玻璃新国标 GB1614-2009，我国的 5mm 厚的平板玻璃太阳透射比应达到 0.86。本文亦采用石英玻璃的透射比为 0.86。设总辐射强度为 1，所以吸热器的透射能量为 0.86。而入射到玻璃表面的能量一般分为三部分。一部分是以透射光的形穿过玻璃，一部分以反射光的形式离开玻璃，剩下的部分就会被玻璃所吸收。玻璃对入射光的具体透射、吸收、反射比例会因材料、温度等因素而有所变化。通常会认为其为定值。所以。本文中透射体能量的反射热损失就是会小于 1-0.86=0.14。加入透射体后，对比以上的相关参数，经过初步的估算，可以看出：腔式吸热器的反射热损失与原有吸热器的反射热损失几乎相当。值得注意的是，如果只采用平面石英玻璃透射的平面结构，那么腔体的反射热损失就为此定值了。但是，不同于一般的平板透射体，本文采用的透射体具有特殊结构。不管是辐射的直接反射热损失，还是其他形式的热损失，都可以通过涡环的结构使得能量在吸热器表面能较长时间的驻留，以提高吸热器的效率。b)腔体的辐射热损失：正如上面所提到的，腔体的辐射热损为。而当加入透射体后，可以缩小很大radp一部分。初步计算： （3-9）注意，由于有透射体的加入，原有吸热器的结构参数有一些变动。本文研究的情况是将吸热器腔口直径从 0.20 增大到了 0.24， 。这样，能体现在涡环影响的情况下，吸热器的效率提高情况。式中，为吸热器的热辐射的透射比。在文献13中有介绍，热辐射所包含的波wb长范围近似为 0.3-50。在这个波长范围内有紫外、可见光、红外三个波段，其中，m0.4以下为紫外波段，0.4-0.7 为可见光波段，0.7以上为红外波段。热辐mmm射主要集中在红外波段。所以主要取决于透射体材料的红外透射比。所以，在选择透射体材料时，第二重要性就是其红外透射比低。可以看出，在采用透射体结构后，吸热器的辐射热损失会很明显的下降。同时，由于热辐射与温度的 4 此方成正比，所以，尤其在高温情况下，辐射损失会尤为严重。因此，可以很明显的看出采用透射体结构后，吸热器的辐射热损失会显著减少。考虑到石英玻璃优秀的光学、热学性能，为了吸热器的吸热效率，参考文献14中的相关介绍，本文采用取值为 0.2。所以：wb441() radapwswPTTAb陕西科技大学毕业论文24 （3-10） c)腔体的对流热损失：很明显，吸热器采用透射体结构后，对流损失可以避免。d)腔体的导热损失：如上所述，为了实现加入透射体后的单变量原则，吸热器其它参数都未改变。所以，吸热腔部分导热损失的参数几乎不变。取决于吸热器的结构参数和材料的本质属性。3） 说明一个很重要的问题涡环结构吸热器腔口位置加入了透射体。不同于一般的平板式透射体，本文中采用的透射体结构比较特殊。这样做的目的是结合光柱的入射动量，在透射体的边缘形成一种涡环，进而增强能量在透射体表面的驻留时间，而且可以部分能量甚至可以再次入射，从而显著提高吸热器的性能。本文首先不考虑涡环结构计算加入透射体后吸热器的效率，然后在考虑涡环结构计算吸热器的效率。从而对比证明出涡环结构的优越性。首先不考虑涡环结构，保守的估计一下加入透射体方案的可行性。综合以上的分析，可以初步列一个表格来对比吸热器的各类热损。如下：表 3-1 改进后可行性各类热损反射热损辐射热损对流损失导热损失未加透射体0.15I依据温度变化有一样加入透射体0.14I原有 0.208 倍无一样 两种数据显示：可以看出吸热器在加入透射体结构后其热效率明显有所提升。说明：吸热器的反射热损失是不随温度变化的。但是，吸热器的反射热损失会随着入射光辐射能量的变化而变化。一般情况下，认为吸热器聚光比与工作温度有着密切的关系。而辐射强度与聚光比有有着密切的关系。所以，原则上吸热器的辐射强度与工作温度之间亦有着密切的关系。但是，文献7中各种温度情况下，吸热器的反射热损失是一个定值，这是不是自相矛盾呢？其实不然。原因在于文献7中的温度变化不是因为聚光比的增大，或辐射强度的增大造成的。而是在辐射强度确定的前提下，改变工作流量或其它参数而造成的吸热器工作温度变化。故二者并不矛盾。所以，上图中关于导热、对流、辐射热损失的计算可以参考其值，甚至可以从中总结规律。而反射热损失必须具体考虑。4421144211()125()0.24 apwswwradradapwsTTAbAbPPTTAA0.208圆锥曲面组合式太阳能集热器研究253.2 不考虑涡环结构情况下改进后的热性能3.2.1 抛物面聚光比的选取确定集热器的聚光比和吸热器的工作温度有着极为密切的联系。实际上，在聚焦集热器中，聚光比一般都会直接影响到吸热器的工作温度。所以，可以根据这种具体的关系通过吸热器的工作温度来确定碟式太阳能热发电系统的聚光比，或者，可以通过已知聚光比来确定吸热器的工作温度。吸热器的这种关系在太阳能热利用相关的文献中一般都有具体的介绍。例如在文献12、13（如图 3-6、3-7 所示）中就都有介绍。根据聚光比的定义: （3-228dDFFraC11）光孔面积，即反光镜抛物面的投影面积。:aF吸热器接受面面积。:rF本文中的吸热器直径：。mmm2 . 0200所以，有光孔直径和吸热器就可以确定聚光比；由聚光比就可以确定吸热器的工作温度；由工作温度就可以确定吸热器热损失。取时， 3Dm5.112222.08DFFraC对应工作温度约为C6 .324表 3-2 聚光比和温度的关系聚光器类型聚光倍率 工作温度平板集热器及附加平面反射墙 11.5 100复合抛物面反射镜聚焦吸热器 1.510 100250菲涅耳透镜线聚焦集热器 1.55 100150菲涅耳透镜点聚焦集热器 1001000 3001000柱状抛物面反射镜线聚焦集热器 1550 200300盘式抛物面反射镜点聚焦集热器 5003000 5002000塔式聚光集热器 10003000 5002000陕西科技大学毕业论文26图 3-3 聚光比和温度、辐射的关系下面，对原有吸热器和加透射体后不考虑涡环结构吸热器的工作性能进行具体分析。初步取太阳辐射强度为。20.8/kWm说明一个问题：本文中采用的集热方式改进了原有吸热器在焦点位置吸热的方式，而是采用在焦点位置处设置反射体，光线经过旋转抛物面聚光反射后聚焦到反射体，经反射体反射后的集热方式。所以，在考虑吸热器的吸热效率时，必须对其以上的结果予以修正：参考文献3中的相关参数，取旋转抛物面的反射比为 0.94。同时，由于本文的集热方式采用的是二次反射，故必须同时考虑反射体的反射比，初步取值亦为0.94。所以，取。未加透射体时：3Dm反射热损失：2cov10.150.94 0.940.15 0.830.94 0.940.7497494 aIAkWW辐射热损失： （3-12）式中，斯忒藩玻耳兹曼常数（）8245.67 10/WmK 腔体的有效发射率ap 腔体内壁的平均温度wT 环境温度1T441() radapwsPTTA圆锥曲面组合式太阳能集热器研究27222122110628. 02 . 0mdFAr参数确定： ，时；250(250273)K=523K wTC20(20273)K=293K sTC1000.578radapP ，时。350(350273)K=623K wTC20(20273)K=293K sTC 2000.545radapP取其二者的平均值，可得到所以，时，原有吸热器的辐射热损失为：3DmW74.2392 . 0)2936 .597(1067. 556. 0)(241448144ATTPswaprad对流热损失co v40nPW导热热损失co80ndPW总热损失为： WL74.1108804074.239749加入透射体后，反射热损失：2cov10.140.94 0.940.14 0.830.94 0.940.6996994 aIAkWW辐射热损失：WPATTbPradswapwrad86.4974.239208. 0208. 0)(144对流热损失co v0nP导热热损失coco80ndndPPW总热损失为： WL86.82880086.49699 5取时，Dm5 .31222221 . 0858dDFFraC600 对应工作温度约为 C对于工作温度在一般在以上的情况，文献7中并未介绍。但是，通过以上400C的分析计算公式，可以严格的推导温度在以上的数值。同时，明显的看出一些400C规律：比如，吸热器的导热损失是随着温度线性增加的。这个性质通过对导热损失的公式严格的推导，也完全可以证明。所以，完全可以计算温度大于时的原有吸400C热器的热损失和加过透射体的吸热器的热损失。对流热损失 1()convapwaPhTTA可以看出与温度的增大呈线性关系，从已有数据可以看出。温度每增大 50时，C导热损失增大 5W；0.56ap460.6C陕西科技大学毕业论文28460.6时：原有吸热器对流热损失CWPconv06.5154550)4006 .460(导热热损失001()/()condwacavwtPTTA hA A同理，可以看出随温度线性增加。温度每增大 50时，导热损失增大 10W；C460.6时：原有吸热器导热热损失CWPconv12.102109050)4006 .460(所以，时，温度为 460.6。原有吸热器反射热损失：5DmC2cov10.150.94 0.940.15 0.850.94 0.942.08120814 aIAkWW辐射热损失： WATTPswaprad83.5622 . 0)2936 .733(1067. 556. 0)(241448144对流热损失 WPconv06.5154550)4006.460(导热热损失 WPconv12.102109050)4006.460(总热损失为 WL01.279712.10206.5183.5622081加入透射体后，反射热损失： 2cov10.140.94 0.940.14 0.850.94 0.941.94219424 aIAkWW改进后辐射热损失： WPATTbPradswapwrad07.11783.562208. 0208. 0)(144对流热损失co v0nP导热热损失 WPPconvrad12.102109050)4006 .460(改进后总热损失 WL19.216112.102007.1171942同理，时 ， 对应温度为。10Dm125022221.02102dDFFraCC788原有吸热器反射热损失：2cov10.150.94 0.940.15 0.8100.94 0.948.32483244 aIAkWW辐射热损失： WATTPswaprad23.25122 . 0)2931061(1067. 556. 0)(241448144对流热损失 WPconv8 .8354550)400788(导热热损失 WPconv6 .167109050)400788(总热损失 kWL088.116 .1678 .8323.25128324圆锥曲面组合式太阳能集热器研究29加入透射体后，反射热损失：2cov10.140.94 0.940.14 0.8100.94 0.947.76977694 aIAkWW改进后辐射热损失：WPATTbPradswapwrad54.52223.2512208. 0208. 0)(144对流热损失 co v0nP导热热损失 WPPconvrad6 .167109050)400788(改进后总热损失为：WL489. 86 .167054.5227769 WL489. 86 .167054.5227769说明：此处的热损失计算均为初步的估算。并未考虑吸热器透射体部分的涡环结构。所以，肯定会和实际的吸热器热工作性能有一定出入。原则上此处的计算热损失值会大于实际上的热损失值。因为采用涡环的作用就是为了改善吸热器的性能。由以上分析可知：原有吸热器热损失和改进后吸热器的热损失。抛物面的直径（光孔直径）分别为 3、5、10m 时，其具体数据见下表：表 3-3 原有吸热器和改进型的热损失值3Dm5Dm10Dm原吸热器1108.74W2797.01W11088W改进后吸热器828.86W2161.19W8489W分析改进结构后，吸热器的热损失数据，从表中可以清晰的看出，考虑加入透射体的吸热器其工作热性能明显优于改进前未加透射体的吸热器。而且温度越高，改进后吸热器的热损失减少越明显。这是因为温度较低时，吸热器的热辐射损失很小，反射损失占据了总热损很大的一部分。增加透射体的优势并不能明显的体现出来；而当温度升高以后，加入透射体的优越性可以明显的看出来，尤其是在高温阶段,当 D=10m时，改进后的吸热器的总热损失几乎只有原有吸热器总热损失的。所以，改80%左右进后的吸热器尤其适用于工作温度较高的场合。碟式太阳能热发电系统的工作温度较高，一般在以上。所以，本文改进后的吸热器很适合作为碟式太阳能热发电系500C统的腔式吸热器。3.3 考虑涡环结构后集热器的热性能3.3.1 涡环的形成涡环的形成通常是比较简单的，只要一个柱状流体相对与周围的流体获得沿对称轴的动量就会形成涡环。这也是本文将吸热器的位置从焦点处改到了抛物面底部，采陕西科技大学毕业论文30用旋转抛物面焦点出反光，抛物面底部吸热方式的原因所在。因为涡环的形成柱状流体比较容易形成。下面，详细分析一下改进型吸热器腔口位置的透射体结构。说明：a)集热器的聚集能量并不是只有光能，还会附带有高温空气的其它介质携带的能量。实际上，严格来讲，光是直线传播的，不可能形成漩涡结构。此处的涡环结构指的是入射能量经过反射后由于受到直射光柱的强光压作用向吸热器边缘运动。通过涡环导流结构，只是形象的反射成一个环状。光线结合入射光的散射，可以二次透射。而另一部分能量高温空气等其它流体介质，就会在吸热器的边缘形成涡环。驻留在吸热器边缘一段时间，直到涡环结构的失稳、破裂。不过由于太阳辐射是连续不断的，所以，吸热器经过一段时间的预热后在稳定工作状态下其表层温度是固定的。涡环会将一部分能量驻留在吸热器透射体表面的边缘部分，在透射体的边缘部分就会形成一个温度梯度，这样，能量就会不断的向吸热器内传递。入射光一部分直接透射，一部分被直接反射；透射光一部分被吸热器吸收，一部分再次反射，一部分导热损失，一部分辐射损失；直接反射光中，一部分反射离开吸热器，一部分与入射光碰撞散射；散射光大部分会在透射体表面形成涡环结构，极少部分散射出吸热器；形成涡环的光线一部分结合入射光二次透射，一部分直接破裂离开吸热器。3.3.2 涡环结构的优越性究竟本文中采用的透射体的特殊结构有何种优越性呢？可以从两方面来说明：一方面，这类结构的透射体的表面积大于相同尺寸的平面结构，可以增大换热面积，有利于吸热器吸收热量；另一方面，结构吸热器边缘部分涡环的导流结构。能量会在此部位形成一种涡环结构，使能量驻留于此一段时间，以促成能量的再次入射。鉴于本节研究的问题是涡环的优越性，对于上述第一方面换热面积的优势本文只做定性的分析，不予以定量的说明了。下面，着重分析一下涡环对于吸热器性能的影响。首先，由涡量场面积分特性导致的著名的 Helmholtz 第一涡定理为：涡管的涡通量沿涡管处处相同，与用来测量它的开曲面的位置及形状无关。这就说明涡量至少沿着涡管是处处守恒的。如果不考虑流体的粘性，在本文章的吸热器的透射体部分会形成一个守恒涡量的涡环。但是，鉴于能量是一直源源不断的入射的。在透射体边缘位置形成的涡环就会被后面的“流体”推走。这样，就会形成一个很有趣的现象：类似与一个人在吸烟时一个接着一个的吐烟圈。 正如现实中看到的一样，吸烟者的烟圈会变得的越来越粗；转速越来越慢；烟圈的半径会越来越大。我们的吸热器透射体边缘形成的涡环同样会由于粘性作用，卷进圆锥曲面组合式太阳能集热器研究31周围的流体（高温空气等介质） 。这样，造成的结果就是，原有的涡环在后面形成的涡环的推动作用下渐渐的离开透射体表面，在离开的同时将周围的流体继续卷入入射吸热器的光柱内。之后，就渐渐的失稳、破裂。由以上的分析可知，在一个涡环的形成、粘性扩散、失稳、破裂的过程中将周围的高温流体卷入吸热器的入射光柱之内，使得已经散射出去的部分能量能被二次利用。这对于提高吸热器的性能是至关重要的。也是本文中除了增设透射体提高吸热器效率外的另一个更核心的思路。那么，究竟考虑涡环结构后吸热器的热效率会有什么具体的改变呢？鉴于本文所在吸热器中采用的涡环结构是一种原创性的思路，目前不可能有相关的数据来说明问题。本文只能退而求其次予以初步估算，估算的数据可能会有实际数据有一定的出入，这就要用实验来验证了。对于验证实验的设计，本文第四章会有详细说明。参考文献16、17，根据工程热物理知识中热传导部分的介绍，首先，引入温度场的概念。同一时刻，温度在空间的分布就称为温度场。如果温度场不随时间改变，则称之为稳态温度场。吸热器的结构参数已经很明显的表现出来了。原则上，在涡运动的过程中，能量一部分会对流损失，另一部分以温度梯度的形式导热，在涡环的上半部分，其温度会有所下降。但是，考虑到本文中的涡环结构很小，只有 17mm 左右，温度原则上不会有太大的波动。故温度可作线性处理，认为其为固定值。考虑到透射体边缘厚度的不均匀性，导热模型的建立会很困难。所以，本文以透射体厚度为 13mm来处理。圆筒壁内温度分布为对数函数。 （3-122121lnrrttL13）考虑涡环结构后，吸热器的热损失肯定会有减小，具体的数据计算如下：首先，确定一些参数。文献15中对于各种温度下石英玻璃的热学性能都有介绍：表 3-4 石英玻璃导热系数与温度的关系温度40060080010001200导热系数0.004470.004840.005140.005470.00581说明：温度单位为摄氏度；导热系数单位为/ cal cm sC22211/10/4.19 10/4.19 10/0.23885 cal cm sCJ m sCJ m sCWmC温度为 300 时，可以近似的取 0.0044C20.0044/0.0044 4.19 101.8436/ cal cm sCWmC陕西科技大学毕业论文32圆筒内、外壁分别对应吸热器的透射体的外、内侧。其温度的确定是计算导热能量的关键。透射体的内侧温度可以认为是工质的工作温度。外侧的温度就要具体的估算了。首先，要搞明白一个问题：内外的温差是怎么造成的？主要有以下三方面的原因。一方面是吸热器透射体表面有一部分能量是不能进入吸热器而阻挡在表面之外的；一方面是吸热器内部工质会带走一部分能量，是吸热器内部温度下降；还有一方面是吸热器的辐射热损失会因为涡环结构的作用在透射体表面驻留。这三方面的综合作用使得吸热器透射体内外有一个相当大的温差。如上所述，时， 3Dm5.112222.08DFFraC对应工作温度约为C6 .324加入透射体后，反射热损失：2cov10.140.94 0.940.14 0.830.94 0.940.6996994 aIAkWW改进后辐射热损失：WPATTbPradswapwrad86.4974.239208. 0208. 0)(144对流热损失co v0nP导热热损失coco80ndndPPW改进后总热损失为： WL86.82880086.49699参考文献18中关于普通平板集热器的辐射散热公式： （3-14）在非聚焦型的平板集热器中，集热器的温度肯定高于环境温度，故会有平板集热器向外界的辐射散热。但是，在碟式聚焦型太阳能集热发电系统中，吸热器的内壁温度低于透射体表面的温度，会有一部分能量从透射体表面向吸热器内部传递。这也是本文中涡环的作用所在使得更多的能量在透射体表面驻留，进而二次入射。代入数值，改进后：、221221210696. 081. 003. 02 . 022mLrdFAr0.578ap、8245.67 10/WmK0.9透射体注：a)此时只考虑吸热器太阳能直射辐射的入射面积； b)透射体采用的是石英玻璃材料，参考部分材料的发射率介绍，取其发射率为0.9。以为例，设吸热器内部采用变流量的工质流动，以保证吸热器的工作温度3Dm为定值。以为例，正如上面所分析的：透射体内外的温差能量的来源主要由吸3Dm44()111 透射体wwapATT圆锥曲面组合式太阳能集热器研究33热器反射热损失和辐射热损失两部分在透射体表面涡环结构下的二次吸收。考虑温度梯度时，先假设这两部分能量都会以热辐射的形成提高透射体外表面的温度。那么，究竟有多少的能量会由于涡环的作用驻留与吸热器表面呢？尽管反射热损失的能量在涡环导流结构和强光压的作用下会进入透射体的边缘涡环结构中。但是，由于反射能量运动速度极快，会迅速脱离吸热器透射体表面。故本文认为可以考虑只有部分的反射热损失会将能量驻留于透射体表面。具体的比例参数只能有待于实验验证。本文在此处初取其值为 0.2。同时，考虑吸热器的辐射热损失在吸热器表面的驻留。结构改进后：WLwapswTTTA66.1896992 . 086.491 -)623(1067. 5696. 01 -)( 9 . 01578. 01448 -11441透射体CKw29.42629.699TWrrLtt5.418173081.084.121122121ln6.32429.426ln注：此处考虑的是所有的反射热损部分驻留、辐射热损完全驻留在透射体表面的理想情形下，透射体外表面和吸热器内表面的温差可以形成的热传导可以到达的理想数值。显然，这是不合理的，也不可能达到。因为，热传导的能量原则上肯定是小于吸热的反射、辐射热损的。同理，计算直径为其他数值时，考虑涡环作用下的吸热器的热损失： 5时，Dm5 .31222221 . 0858dDFFraC对应工作温度约为C6 .460加入透射体后，反射热损失： 2cov10.140.94 0.940.14 0.850.94 0.941.94219424 aIAkWW改进后辐射热损失：WPATTbPradswapwrad07.11783.562208. 0208. 0)(144对流热损失co v0nP导热热损失WPPconvrad12.102109050)4006 .460(改进后总热损失为： WL19.216112.102007.1171942改进后考虑涡环作用能量的二次吸收值为：47.50519422 . 007.1171 -)06.733(1067. 5696. 01 -)( 9 . 01578. 01448-11441wapswTTTAL透射体CKw578851T陕西科技大学毕业论文34此时，20.00484/0.00484 4.19 102.03/ cal cm sCWmCWrrLtt534173081.084.121122121ln6.460578ln所以，考虑涡环作用后吸热器在加入透射体基础上。能量二次入射值为 534W。 对应温度为。10Dm取时，125022221 . 08108dDFFraCC788加入透射体后，反射热损失：2cov10.140.94 0.940.14 0.8100.94 0.947.76977694 aIAkWW改进后辐射热损失：WPATTbPradswapwrad54.52223.2512208. 0208. 0)(144对流热损失co v0nP导热热损失WPPconvrad6 .167109050)400788(改进后总热损失为： kWL489. 86 .167054.5227769改进后考虑涡环作用后驻留能量：34.207677692 . 054.5221 -)1061(1067. 5696. 01 -)( 9 . 01578. 01448 -11441wapswTTTAL透射体CKw8 .9498 .1222T此时，20.0053/0.0053 4.19 102.22/ cal cm sCWmCWrrLtt95.803173081.084.121122121ln7888.949ln所以，考虑涡环作用后吸热器在加入透射体基础上。改进后，能量二次入射值为803.95W。综合以上结果，可以初步估算出吸热器在光孔直径为 D=3m、5m、10m 两种涡环结构情况下考虑涡环结构后吸热器的热损失的减少量。表 3-5 各种直径下吸热器考虑涡环结构热损失改变值光孔直径3Dm5Dm10Dm改进后涡环减少损失418.55W534W803.95W可以清楚的看出：第一种情况下，考虑涡环结构后所能减少的热损失随着温度的圆锥曲面组合式太阳能集热器研究35增加而增加。这些性质与吸热器的辐射热损失、吸热器的工作温度、导热材质以及导热模型的建立都有着密切的关系。同时，本文的研究结果证明吸热器的能量损失值在大直径时涡环的优越性并不明显。反而在较小时，涡环优越性的绝对值较大。D同时，将以上的各类数据汇总、分析、计算之后，制成表格。可以看出吸热器在改进前后、考虑涡环结构前后的热能损失的具体值。与参考文献7中的相关数据作比较，表 3-6 各种情况下吸热器的热损失数值光孔直径3Dm5Dm10Dm原吸热器热损1108.74W2797.01W11088W改进后不考虑涡环结构热损828.86W2161.19W8489W改进后考虑涡环结构热损410.31W1627.19W7685.05W从以上的表格中可以看出：a)吸热器再加入透射体后吸热器的热损失明显有所下降，特别是在温度较大时。加入透射体的优越性越来越大。而且随着光孔直径的增大，或者说随着聚光比（工作温度）的增大，这种下降的趋势有增强的趋势，所以随着温度的提高，吸热器加如透射体的优越性也越来越明显。b)考虑涡环作用之后，吸热器热损失数值在不考虑涡环的基础上有所下降。改进后，考虑涡环结构的热损失数值是持续下降的。但综合考虑，得知，涡环结构的作用随温度的增加其相对效果是减弱的。也就是说温度越低时，涡环结构的优越性就越明显。3.4 本章小结本章主要分为三小节，依次递进的从不同深度对集热器性能进行了分析。在第一小节，本文以原有碟式太阳能集热器为原型，提出了新的集热器结构。并旨在证明集热器经过其热性能在高温阶段远远优于已有模型；在第二小节，本文计算了碟式太阳能光热发电系统光孔直径分别为、情况下的热损失。可以证明，改进3Dm5m10m后的集热器的热性能明显优于原有集热器。并指出，此节的估算仅仅是保守的证明，并未考虑本文中新型集热器的涡环结构和抽吸作用。在第三小节，则详细的分析了一下改进型集热器考虑涡环结构的具体的热工作性能，分析了采用涡环结构后的具体工作性能，可以看出考虑涡环后吸热器的热性能有一定的提高。同时，考虑本节中对于涡环结构所能驻留的能量是初步估算的，其具体的参数有待于实验的验证。陕西科技大学毕业论文364 新型集热器性能的模拟计算在第一章有所提到，碟式太阳热发电系统目前还处在实验性的阶段。其发电效率同槽式、塔式太阳能热发电系统相比效率最高。而其功率相对最小。特别适合小型独立式的发电，也可以并网发电。由于其结构精巧，可灵活移动。特别适合边远山区和一些偏僻的场合。而我国西部地区拥有广泛丰富的太阳能资源。对于碟式太阳能发电系统的推广应用有着得天独厚的先天优势。考虑到前面几章对碟式太阳能热发电系统的各类热损失进行了理论估算，需要本章对太阳能碟式热发电系统的运行进行了实验设计。而本文的设计宗旨是设计制造高发电性能的碟式太阳能热发电系统。故本章首先对碟式太阳能热发电系统的结构参数进行了初步设计，再此基础上，分析了具体太阳辐射情况下，各类太阳能集热器运行性能及其参数。对集热器、吸热器效率进行了详细的分析估算。4.1 太阳能热发电系统的具体结构参数设计按照实验要求，采用的是碟式双轴跟踪式太阳能热发电系统。集热器是圆锥曲面组合式，吸热器采用腔式吸热器。具体技术要求如下：集热方式：旋转抛物面聚光工作温度：左右5002000C集热器集热半径： 10m3mD 吸热方式：采用旋转抛物面焦点出反光，抛物面底部吸热方式，见图 3-2。本文之所以采用抛物面底部布置吸热器主要是考虑两方面的因素。第一，如果在焦点位置吸热，此处的空气对流比较严重，会导致热对流损失比较严重，不利于吸热器的高效运行；第二，本文采用的聚光方式是将光线聚焦，然后，再经过焦点位置的反射体将光线反射到吸热器位置。这样，光线不是作为一种聚焦光被吸热器吸收，而是被反射体作为一个光柱反射到吸热器位置。所以，吸热腔表面材料的吸热就不存在吸热不均匀的情况，同时，也会提高吸热器的吸热效率。热发电功率：525kW如下图 4-1 所示：旋转抛物面方程：圆锥曲面组合式太阳能集热器研究37 （4-1）反射体和下半部分均为双曲面结构： （4-2）反射体的作用是为了实现将聚焦光向平行光柱的转化。当然，反射体的具体参数要依据吸热器的集热面参数而定，即、值的要依据抛物面的参数而定。ab吸热器的聚光比： （4-222dDFFraC3）本文仅对 的情况进行了具体分析。具体步骤如下：首先，依据理论聚光比的参数确定旋转抛物面的焦距；其次，依据旋转抛物面的参数来确定反射体的参数。图 4-1 旋转抛物面结构参数关于焦距 f 的确定：要确定抛物面的焦距，首先需要了解一些基础知识。聚光集热器的工作原理是利用太阳的直射辐射，经聚光器反射到反射体，在经过吸热体将光线反射到吸热器上。太阳本身是一个表面温度为 6000K 左右的大火球，尽管太阳距离地球很远，但对地球224ypxfx22221xyab5Dm陕西科技大学毕业论文38来说，太阳并非点光源，而是一个球体。所以对地球上任意一点，入射太阳光之间具有一个很小的夹角 2，通常称为太阳张角。其示意图如下。图 4-2 太阳与地球之间的几何关系由太阳直径、日地距离可以计算太阳张角 2: 585.95 10sin0.004671.5 1016也就是说，太阳岛直射辐射是以 2 的张角入射到地球表面的。所以太阳光线经过旋转抛物面聚焦后，其焦点并非焦点而是焦斑（图 3-7） 。图 4-3 太阳光几何模型太阳张角 2 是一个极为重要的参数。这对于以下的计算有着举足轻重的作用。图 3-8 是典型的旋转抛物面集热器的光路分析。在这类系统中，有一个极为重要的参数口径比，即抛物面的开口直径和焦距的比值： fDB 圆锥曲面组合式太阳能集热器研究39如上面提到的，吸热器的聚光比： 22224182dDdDFFraC由最大聚光比可以确定抛物面的张角 ，又根据以上的确定参数可以计算抛物面的焦距 f 等参数。经计算确定参数得：抛物线为：y2=8x反射体双曲线为：y2/0.082-x2/0.062=1下部分双曲面为：x2/0.112-y2/0.12=1当取其它值时，可以同理计算其数值。D4.2 新型集热器的功率、效率对比验证模拟计算文献12中有关于太阳能热发电系统总效率的介绍：利用太阳能进行发电的能量转化过程，首先是将太阳辐射转换为热能，然后是将热能转换为机械能，最后是将机械能转换为电能。所以，整个太阳能热发电系统的效率也将由这三部分的效率所组成。也就是说，太阳能热发电系统的总效率是集热器效率、热机效率和发电机效率三者的乘积。即: （4-6）式中， 为太阳能热发电系统总效率s为集热器效率c热机效率:m发电机效率，取。:e0.90e其中，热机效率随介质温度增加而增大，集热器效率随介质温度增加而减小，发电机效率可以认为不随温度而变，所以太阳能热发电系统必然存在一个最佳温度使得系统总效率最大。关于热机效率，由于热机效率有上限即卡诺热机效率。所以，实际工作的热机效率一定会小于卡诺效率。 以 D=3m 为例：取工质工作温度=597.6K，环境温度为。C6 .324KC2932051. 06 .5972936 .597121TTTm所以实际的热机工作效率肯定小银 0.51。考虑实际工作的热机效率很低，为 30%到50%。可以取值为 0.4；当然，随着温度的增加，热机效率会有所增加。但是，考虑到实际工作的斯特林机的热性能，本文的热机效率取定值，为 0.4。文献12中介绍了集热效率的定义：在稳态（或者准稳态）条件下，集热器传热scme121211mQQTTWQQT陕西科技大学毕业论文40工质在规定时间内的有效能量收益与聚光器光孔面积和同一时间段内垂直投射到聚光光孔上太阳辐射量的乘积之比,即： 式中，为吸热器接收到的有效太阳辐射能uQ注：本文认为吸热器接收到的有效太阳辐射能可以完全被工质吸收。这里，可以考虑对工质进行变流量的设计以到达以上效果。说明一个问题：本文中采用的集热方式改进了原有吸热器在焦点位置吸热的方式，而是采用在焦点位置处设置反射体，光线经过旋转抛物面聚光反射后聚焦到反射体，经反射体反射后的集热方式。所以，在考虑吸热器的吸热效率时，必须对其以上的结果予以修正：参考文献13中的相关参数，取旋转抛物面的反射比为 0.94。同时，由于本文的集热方式采用的是二次反射，故必须同时考虑反射体的反射比，初步取值亦为 0.94。所以，吸热器的效率就是到达吸热器表面的有效辐射能和吸热器吸收到太阳有效辐射能的比值。即：各个效率参数的估算：1）关于太阳辐射强度：I为了表示太阳辐射强烈程度，我们引入太阳辐射强度的概念：单位时间在单位面积内接受的太阳辐射能称为太阳辐射强度，通常以表示，其单位是。I2/W m说明：1.取平均的日地距离 2242222/(min)4.18 /(min)4.18 1060/()696.6667/()696.6667/0.697/calcmJcmJmsJmsWmkWm2. 单位：由以上的分析可以看出：由吸热器的功率来计算太阳能热发电系统的功率。其中，为光孔面积；为太阳辐射强度；为太阳能热发电系统的总效率。aFIs根据以上公式，初步取集热效率为 0.8、热机效率为 0.4、发电效率为 0.9 进行保守估算。 ， 首先，对值分别为 3m、5m、10m 的发电总功率进行初步估算。D时：3Dm222111()()30.8 0.4 0.92.03444 asscmeWWDIDkW时：5Dm222111()()50.8 0.4 0.95.65444 asscmeWWDIDkW214uucaaQQI ADI210.94 0.940.94 0.944 uucaaQQI ADI2211()()44 asscmeWWDID圆锥曲面组合式太阳能集热器研究41时：10Dm222111()()100.8 0.4 0.922.61444 asscmeWWDIDkW如以上所讲，此处的发电功率只是保守估计。可以看出取和取 D=10m 时，碟式3Dm太阳能热发电系统的总功率过小和过大。不适合作为太阳能热发电系统。碟式太阳能热发电系统的发电功率取值一般在 5-25kW,故本文对 D=3m、10m 的情况不进行具体的研究计算。同时，考虑涡环结构的优越性会随温度、光孔直径的增大而减小。本文仅对的情况进行分析。5Dm2）集热、吸热系统效率的确定：（a） 改进后的涡环作用计算一般天气状况下的功率：取高度角、大气透明度分别为、0.65。从表 3-150中可以查取太阳直射辐射的强度为21.54/(min)bnIIcalcm以为例，首先，计算太阳峰值辐射情况：5Dm21.54/(min)bnIIcalcm如上所述：根据集热效率的定义： 所以，时：5Dm22210.940.9441144 uucaaDILQQI ADIDI吸热器效率为： （4-12） ，对应工作温度为 460.6。 5时，Dm5 .31222221 . 0252dDFFraCC原有吸热器热损失为 2797W,改进后不考虑涡环结构时吸热器热损失为 2160W；考虑涡环结构时估算为 1630W。所以，原有集热器效率：214uucaaQQI ADI210.94 0.940.94 0.944 uucaaQQI ADI陕西科技大学毕业论文42 751. 0697. 054. 15797. 294. 094. 0697. 054. 1594. 094. 0241241241241IDLIDc原有吸热器效率：8498. 094. 094. 0697. 054. 15797. 294. 094. 0697. 054. 1594. 094. 0241241241241IDLIDc改进后不考虑涡环结构时集热器效率：；781.0697.054.1516.294.094.0697.054.1594.094.0241241241241IDLIDc改进后不考虑涡环结构时吸热器效率： 883. 094. 094. 0697. 054. 1516. 294. 094. 0697. 054. 1594. 094. 0241241241241IDLIDc考虑涡环结构时集热器效率：；806.0697.054.1563.194.094.0697.054.1594.094.0241241241241IDLIDc考虑涡环结构时吸热器效率： 912. 094. 094. 0697. 054. 1563. 194. 094. 0697. 054. 1594. 094. 0241241241241IDLIDc其次，计算一般天气状况下的功率：取高度角、大气透明度