圆锥曲面组合式太阳能集热器研究

欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321I 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 II ConicalConical SurfaceSurface CombinedCombined TypeType SolarSolar EnergyEnergy CollectorCollector ResearchResearch ABSTRACTABSTRACT This 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 hyperboloid 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321III 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1 1 太阳能的利用及其发展趋势 1 1 1 1 太阳能概念 1 1 1 2 太阳能的利用 1 1 1 3 太阳能利用的类型 1 1 1 4 太阳能发展趋势 2 1 2 当前太阳能光热发电技术 2 1 3 太阳能集热器 吸热器的定义与分类 5 1 4 太阳能热发电的主要问题及本文的研究意义 7 1 4 1 太阳能热发电的主要问题 7 1 4 2 本文的研究内容及意义 8 1 5 本章小结 8 2 聚光太阳能集热器 9 2 1 概述 9 2 2 聚光集热器的类型 9 2 3 聚光太阳能集热器的基本理论 10 2 3 1 聚光比与集热温度 10 2 3 2 理论聚光比和理论集热温度 12 2 4 抛物面聚光集热器 13 2 4 1 聚光器的几何参数 13 2 4 2 聚光集热器的热学分析 15 3 新型集热器的初步设计及计算 17 3 1 新型集热器的结构及其可行性分析 17 3 1 1 已有的模型 17 3 1 2 本文采用的改进型集热器 17 3 1 3 方案可行性论证 20 3 2 不考虑涡环结构情况下改进后的热性能 24 3 2 1 抛物面聚光比的选取确定 24 3 3 考虑涡环结构后集热器的热性能 28 3 3 1 涡环的形成 28 IV 3 3 2 涡环结构的优越性 29 3 4 本章小结 34 4 新型集热器性能的模拟计算 35 4 1 太阳能热发电系统的具体结构参数设计 35 4 2 新型集热器的功率 效率对比验证模拟计算 38 4 3 涡环结构对吸热器吸热效率的作用 42 4 4 本章小结 42 5 总结与展望 43 5 1 主要内容回顾 43 5 2 研究成果 43 5 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1 1 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1982 1988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l0 25kW 聚光镜直径 约10 15m 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6 a 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9 1 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 lru QQQ 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 u Q r Q 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 l Q 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 aa arL aa u AG ttU AG Q c 0 2 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 c a G 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 2 m a A 2 m 0 为集热器总散热损失系数 W K 为接收器温度 为环境温度 l U 2 m r tC a t 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 a A r A 何聚光比 通常以 C 表示 则有 2 r a A A C 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 a arL G TTU Cc 1 0 2 4 聚光集热器的聚光比 C 1 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 aa r AG Q 0 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 asasas fAfA 2 6 rsrsrs fAfA 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 sras rssa r a ff ff A A C 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 rs f fs f C 1 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 2 RAa 定律 因此 asas Ff as F C 1 max 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 max 2 sin 2 3max D C 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 max max 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 sin 2 3max 2 D C 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 4 ssasr TFAQ 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 r Q s T 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 0 max 42 4 1 sin sar TAQ 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 max A R S 陕西科技大学毕业论文14 4 ssasrl TFAQ 2 14 其中 为接收器的热损失功率 为接收器表面的温度 K l Q r T 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 1 lr QQ sC C r TT r 4 1 max 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 d 16 6 图 2 4 圆形接收器的几何关系 r f 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 m r 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 2 2 4 d nf A A r a C 2 16 经过数学推导可得 1 16max 2 n fr 2 17 16sin2 max rd 2 18 将上述两式代入 2 16 中 可得 2 2 16 2 2 2 16 2 2 1 2890 16sin2 1 4 nn n r nf C 19 a 陕西科技大学毕业论文16 当 n 1 时 则 C 2890 令 dC dn 0 可得 n 4 时有最大聚光比11550 2 n max C 2 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 bbR G b G b R 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17 3 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 5 m 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2