【摘要】：菲涅爾太陽能集熱器主要分為菲涅爾透鏡太陽能集熱器和菲涅爾反射鏡太陽能集熱器，根據(jù)聚光方式的不同有點聚焦和線聚焦兩種形式。菲涅爾透鏡是透射式聚光系統(tǒng)的一種聚光元件，由帶尖劈的同心槽組成，尖劈角度由透鏡中心到透鏡邊緣逐步變化，以形成對入射到不同半徑處的入射太陽光線產(chǎn)生不同的折射偏角而實現(xiàn)光線匯聚，聚光光斑通過位于焦斑處的太陽能吸收器實現(xiàn)太陽能光熱轉(zhuǎn)換；菲涅爾反射鏡太陽能集熱器是指利用線聚焦反射鏡陣列將太陽光匯聚到位于焦點處固定的接收器，從而實現(xiàn)太陽能光熱轉(zhuǎn)換。菲涅爾太陽能集熱器在聚光光伏發(fā)電、中高溫太陽能熱利用、太陽能制冷空調(diào)和太陽能熱發(fā)電等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本文針對菲涅爾聚光器的聚光特性，研究了與之相匹配的非真空的腔體吸收器，，對采用不同結(jié)構(gòu)腔體吸收器的菲涅爾太陽能集熱器進(jìn)行了理論與實驗研究，具體工作如下： 首先，對采用腔體吸收器的聚光太陽能集熱器的光熱轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行熱力學(xué)分析，得出了在一定幾何聚光比、光學(xué)效率、大氣質(zhì)量和大氣透明度等條件下聚光太陽能集熱器的優(yōu)化集熱溫度和腔體吸收器的吸熱效率。通過建立腔體吸收器的理論模型，利用熱力學(xué)第二定律得出了采用腔體吸收器的聚光太陽能集熱器完整的效率表達(dá)式，利用該表達(dá)式得出的效率值能夠反映出此類聚光太陽能集熱器的集熱性能，同時可以對腔體吸收器進(jìn)行優(yōu)化，在高倍聚光條件下實現(xiàn)高效太陽能光熱轉(zhuǎn)換。對于采用腔體吸收器的線聚焦太陽能集熱器，在理論最大幾何聚光比條件下，其最優(yōu)的集熱溫度約為775K，效率約為0.50；對于采用腔體吸收器的點聚焦太陽能集熱器，在理論最大幾何聚光比條件下，其理論上最優(yōu)的集熱溫度約為2500K，效率約為0.84。 其次，對菲涅爾太陽能集熱器的光學(xué)性能進(jìn)行理論研究，導(dǎo)出了菲涅爾透鏡和菲涅爾反射鏡幾何聚光比的理論表達(dá)式。建立了采用八種點聚焦腔體吸收器和八種線聚焦腔體吸收器的菲涅爾太陽能集熱器的理論模型，通過仿真表明：對于點聚焦菲涅爾透鏡太陽能集熱器，當(dāng)點聚焦菲涅爾透鏡的尺寸為1000mm×1000mm×3mm，吸收器開口直徑為60mm時，圓錐體型腔體吸收器（頂角60°）具有最好的光學(xué)性能，其理論光學(xué)效率為89.95%，光學(xué)聚光比為318.12；對于線聚焦菲涅爾透鏡太陽能集熱器，當(dāng)線聚焦菲涅爾透鏡的尺寸為400mm×320mm×2mm，吸收器開口寬度為80mm時，三角形腔體吸收器（頂角60°）具有最好的光學(xué)性能，其理論光學(xué)效率為81.15%，光學(xué)聚光比為4.06；對于線聚焦菲涅爾反射鏡太陽能集熱器，當(dāng)單排菲涅爾反射鏡的尺寸為6000mm×300mm×2mm，吸收器開口寬度為60mm時，圓弧形腔體吸收器具有最好的光學(xué)性能，其理論光學(xué)效率為81.67%，光學(xué)聚光比為32.67，但三角形腔體吸收器內(nèi)部的能量分布比圓弧形腔體吸收器內(nèi)部的能量分布均勻，且三角形腔體吸收器內(nèi)壁面的能量密度要高于圓弧形腔體吸收器和其它形式的線聚焦腔體吸收器，因此，采用三角形腔體吸收器的線聚焦菲涅爾反射鏡太陽能集熱器具有較好的熱性能。此外，還對菲涅爾太陽能集熱器的光偏特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：對于采用圓錐體型腔體吸收器的菲涅\透鏡太陽能集熱器，其跟蹤誤差應(yīng)該控制在±1.8°之內(nèi)；對于采用三角形腔體吸收器的菲涅\透鏡太陽能集熱器，其跟蹤誤差應(yīng)該控制在±4.5°之內(nèi)；對于采用三角形腔體吸收器的菲涅\反射鏡太陽能集熱器，其跟蹤誤差應(yīng)該控制在±8.0°之內(nèi)，這樣才能保證上述三種菲涅爾太陽能集熱器的焦斑能夠落在腔體吸收器之內(nèi)。 第三，分別搭建了菲涅爾透鏡太陽能集熱器和菲涅爾反射鏡太陽能集熱器的實驗裝置，對菲涅爾太陽能集熱器的集熱性能進(jìn)行了實驗測試，得到了菲涅爾太陽能集熱器的空曬性能參數(shù)、瞬時效率曲線和總熱損失系數(shù)，研究結(jié)果表明，對于點聚焦菲涅爾透鏡太陽能集熱器，采用圓錐體型腔體吸收器，集熱器的空曬性能參數(shù)約為0.55(m~2·K)/W。對于采用圓錐體型腔體吸收器的點聚焦菲涅爾透鏡太陽能集熱器，集熱溫度最高可達(dá)250℃，光熱轉(zhuǎn)換效率約為35.40%，總熱損失系數(shù)約為255W/(m~2·K)。對于線聚焦菲涅爾透鏡太陽能集熱器，采用三角形腔體吸收器，集熱器的空曬性能參數(shù)約為0.33(m~2·K)/W。對于采用三角形腔體吸收器的線聚焦菲涅爾透鏡太陽能集熱器，集熱溫度最高可達(dá)180℃，光熱轉(zhuǎn)換效率約為28.70%，總熱損失系數(shù)約為50W/(m~2·K)。對于線聚焦菲涅爾反射鏡太陽能集熱器，采用管束三角形腔體吸收器，其空曬性能參數(shù)約為0.36(m~2·K)/W，當(dāng)集熱溫度為90℃時，集熱器的光熱轉(zhuǎn)換效率約為45.20%，總熱損失系數(shù)為8W/(m~2·K)；集熱溫度為120℃時，集熱器的光熱轉(zhuǎn)換效率約為40.10%，總熱損失系數(shù)約為12W/(m~2K)；當(dāng)集熱溫度為150℃時，集熱器的光熱轉(zhuǎn)換效率約為36.60%，總熱損失系數(shù)約為17W/(m~2·K)。與采用三角形腔體吸收器的線聚焦菲涅爾透鏡太陽能集熱器的總熱損失系數(shù)相比，在相同的集熱溫度范圍內(nèi)，采用管束三角形腔體吸收器的線聚焦菲涅爾反射鏡太陽能集熱器的總熱損失系數(shù)較小，這主要是因為前者的吸收器開口朝上，對流損失較大，后者的吸收器開口朝下，有利于抑制對流熱損失，因此總熱損失系數(shù)較小。在給定條件下，這三種菲涅爾太陽能集熱器的集熱性能已經(jīng)超過真空管式太陽能集熱器，只要控制好熱損失，其集熱性能還有較大的提升空間。 最后，在理論分析和實驗研究的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出了采用腔體吸收器菲涅爾太陽能集熱器的熱遷移因子理論表達(dá)式，并對采用八種點聚焦腔體吸收器，八種線聚焦腔體吸收器和三種改進(jìn)的線聚焦三角形腔體吸收器的菲涅爾太陽能集熱器的熱性能進(jìn)行了對比分析。優(yōu)化分析的結(jié)果表明，對于采用圓錐體型腔體吸收器的菲涅爾透鏡太陽能集熱器，存在最優(yōu)的腔體開口直徑、吸收管內(nèi)徑和腔體頂角，在本文的研究條件下，分別為80mm，15mm和60°，為了獲得更好的熱性能，其幾何聚光比應(yīng)大于等于500，吸收管與傳熱流體的對流換熱系數(shù)應(yīng)大于1200W/(m~2·K)，總熱損失系數(shù)應(yīng)小于100W/(m~2·K)；對于采用三角形腔體吸收器的菲涅爾透鏡太陽能集熱器，存在最優(yōu)的腔體開口寬度、吸收管內(nèi)徑和腔體頂角，分別為50mm，18mm和60°，為了獲得更好的熱性能，其肋片效率應(yīng)大于0.80，幾何聚光比應(yīng)大于等于55，吸收管與傳熱流體的對流換熱系數(shù)應(yīng)大于600W/(m~2·K)，總熱損失系數(shù)應(yīng)小于25W/(m~2·K)�；趦�(yōu)化結(jié)果，提出了采用三種改進(jìn)的線聚焦三角形腔體吸收器的菲涅爾透鏡太陽能集熱器，并進(jìn)行了理論與實驗研究，結(jié)果表明，采用方管結(jié)構(gòu)的三角形腔體吸收器，其效率因子和熱遷移因子的實驗相對優(yōu)化率分別為7.21%和6.67%；采用管束結(jié)構(gòu)的三角形腔體吸收器，其效率因子和熱遷移因子的實驗相對優(yōu)化率分別為5.89%和5.95%；采用一體化管板結(jié)構(gòu)的三角形腔體吸收器，其效率因子和熱遷移因子的實驗相對優(yōu)化率分別為8.41%和7.89%。因此，在系統(tǒng)運行壓力不太高的情況下（如低于0.20MPa），可以采用方管結(jié)構(gòu)的三角形腔體吸收器；當(dāng)系統(tǒng)運行壓力較高的情況下（如大于0.30MPa），可以采用管束結(jié)構(gòu)的三角形腔體吸收器或者采用一體化管板結(jié)構(gòu)的三角形腔體吸收器，從而提升系統(tǒng)的集熱性能，滿足中高溫太陽能光熱轉(zhuǎn)換應(yīng)用的要求。
【圖文】：

第一章 緒論提高太陽能集熱系統(tǒng)的綜合轉(zhuǎn)換效率，實現(xiàn)中高溫太陽能熱利用。目前，中高溫太陽能熱利用技術(shù)的重要研究方向是高溫太陽能熱發(fā)電、中溫太陽能工業(yè)加熱和太陽能制冷空調(diào)。高溫太陽能熱發(fā)電主要采用聚焦集熱技術(shù)，產(chǎn)生驅(qū)動熱力機需要的高溫液體或蒸汽發(fā)電。根據(jù)聚焦形式的不同有槽式、塔式、碟式、菲涅爾式四種反射式聚光發(fā)電技術(shù)[6-9]。槽式發(fā)電已有多年商業(yè)運行經(jīng)驗，塔式發(fā)電也已證明商業(yè)運行可行性，碟式發(fā)電和菲涅爾反射式發(fā)電還在示范開發(fā)階段，我國目前還沒有商業(yè)化運營的太陽能熱發(fā)電站，缺乏系統(tǒng)設(shè)計能力和集成技術(shù)，高溫聚光、吸熱和儲熱技術(shù)不成熟。中溫太陽能工業(yè)加熱和太陽能制冷空調(diào)可以利用小型槽式、小型塔式和菲涅爾反射式系統(tǒng)，結(jié)合直通式真空管吸收器和非真空的腔體吸收器實現(xiàn)中溫太陽能熱利用。目前，250

第一章 緒論柱形菲涅爾透鏡的聚光集熱系統(tǒng)；Jebens 等人[34]也提出了一個特殊統(tǒng)，太陽能電池位于菲涅爾透鏡的光軸和焦平面的交點處，這樣可的輻射能量分布更均勻。到了二十世紀(jì)九十年代，基于成像菲涅爾統(tǒng)走向成熟，研究方向主要集中于幾個領(lǐng)域：基于多焦點菲涅爾透池測試[35]，空間聚光光伏電池開發(fā)[36, 37]和聚光光伏系統(tǒng)的實地測試
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TK513.1

【參考文獻(xiàn)】

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3 江澤民;;對中國能源問題的思考[J];上海交通大學(xué)學(xué)報;2008年03期

4 白濤;代彥軍;王如竹;;太陽能線聚焦腔體結(jié)構(gòu)吸收器熱遷移因子理論分析[J];太陽能學(xué)報;2011年06期

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3 白濤;太陽能線聚焦腔體吸收器熱遷移因子分析及集熱器應(yīng)用研究[D];上海交通大學(xué);2010年

本文編號：2629350