【摘要】：新型高效的聚光集熱理論與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化對提高BD塔式系統(tǒng)光熱轉(zhuǎn)換效率尤為重要,以系統(tǒng)光學(xué)效率優(yōu)化以及接收器光熱轉(zhuǎn)換性能的改善為目標(biāo),探索高聚光性能、低成本定日鏡,與之相匹配的高效BD反射鏡結(jié)構(gòu)。本文圍繞一種新型的菲涅爾反射式點(diǎn)線耦合聚焦太陽能集熱系統(tǒng),以光學(xué)和熱學(xué)為理論基礎(chǔ),以MCRT光學(xué)分析模型、MCRT與CFD耦合三維計(jì)算模型以及基于多參數(shù)的通用型熱遷移因子一維分析模型為核心,著重分析基于線菲定日鏡的點(diǎn)線耦合聚焦太陽能集熱系統(tǒng)的光能傳輸機(jī)理與光熱轉(zhuǎn)換特性,具體開展了以下工作:首先,構(gòu)建了點(diǎn)線耦合聚焦集熱系統(tǒng),闡明了該系統(tǒng)的聚光原理以及線菲定日鏡、BD反射鏡,以及CPC腔體接收器的幾何光學(xué)結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出了點(diǎn)線聚焦系統(tǒng)定日鏡的追日方程,充分考慮太陽張角(太陽錐角)、反射過程中的光學(xué)表面誤差等因素對光能傳輸過程的影響,建立了基于MCRT算法的點(diǎn)線耦合聚焦系統(tǒng)的光學(xué)分析模型,形成了適用于點(diǎn)線耦合聚焦集熱系統(tǒng)光學(xué)性能評價指標(biāo)�；贛CRT光學(xué)分析模型,通過與傳統(tǒng)BD塔式系統(tǒng)的對比研究,明確了點(diǎn)線耦合聚焦集熱系統(tǒng)在聚光性能與光學(xué)效率方面的獨(dú)特性。其次,對比分析點(diǎn)線耦合聚焦系統(tǒng)的光學(xué)特性可知:雙軸跟蹤線菲定日鏡繼承了傳統(tǒng)線菲聚光器的優(yōu)點(diǎn),具有抗風(fēng)性好、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)。與常規(guī)平面定日鏡相比,線菲定日鏡具有更小的上、下焦斑尺寸,在聚光比方面具有明顯優(yōu)勢,最高局部聚光比約為常規(guī)定日鏡的4倍,且具有更小的焦斑尺寸。受到CPC旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的影響,線菲定日鏡的最優(yōu)長寬比為1:1。線菲定日鏡雖在陰影遮擋效率上略低于矩形與方形平面定日鏡,但在溢出效率方面具有明顯優(yōu)勢。從系統(tǒng)光學(xué)效率結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),基于線菲定日鏡的點(diǎn)線耦合聚焦系統(tǒng)光學(xué)效率遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)鏡,約為方形鏡光學(xué)效率的3.4倍。針對小規(guī)模鏡場,對比分析圓柱面反射鏡系統(tǒng)與雙曲面反射鏡系統(tǒng)的跟蹤誤差、象散特性、以及光學(xué)效率。圓柱面系統(tǒng)的滾轉(zhuǎn)角與俯仰角跟蹤誤差都小于雙曲面系統(tǒng),考慮溢出效率,圓柱面反射鏡系統(tǒng)的光學(xué)性能遠(yuǎn)高于雙曲面系統(tǒng),且無需與CPC配合使用,更適合小規(guī)模點(diǎn)線耦合聚焦集熱系統(tǒng)。第三,建立了兩種點(diǎn)線耦合聚焦集熱系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換分析模型,分別為基于熱遷移因子理論的一維分析模型以及基于MCRT與CFD耦合的三維分析模型。提出了基于多參數(shù)的通用型熱遷移因子理論,改進(jìn)和完善了傳統(tǒng)熱遷移因子模型,相比傳統(tǒng)熱遷移因子模型,改進(jìn)型熱遷移因子對相關(guān)參數(shù)變化的反應(yīng)更靈敏。搭建了基于圓錐形腔體接收器的小規(guī)模點(diǎn)線耦合聚焦集熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺,對圓錐形腔體接收器的集熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析,獲得了歸一化熱效率公式,確定了光學(xué)效率及熱損失相關(guān)參數(shù)�；谏鲜鰧�(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),在相同的初始與邊界條件下,比對了實(shí)驗(yàn)值與理論分析值之間的誤差,誤差分析表明本文建立的兩種分析模型具有較高的可信度,三維分析模型的相對偏差范圍為-3%?15%,一維分析模型的相對偏差范圍為3.8%?25%,能夠較為準(zhǔn)確地反映點(diǎn)線耦合聚焦集熱性能。第四,分析了線菲定日鏡與傳統(tǒng)定日鏡在最小占地空間上的關(guān)系,經(jīng)與傳統(tǒng)定日鏡相比,線菲定日鏡可節(jié)約(1-2/π)的占地面積。線菲定日鏡與傳統(tǒng)定日鏡追日方式不同,在Δθ=0°的排布結(jié)構(gòu)下線菲定日鏡與接收器的相對空間結(jié)構(gòu)最佳,光學(xué)匹配性最好。通過分析線菲定日鏡場獨(dú)特的布局結(jié)構(gòu),明確了鏡場余弦效率、大氣透過率、相鄰子鏡的陰影與遮擋損失、相鄰線菲定日鏡的陰影與遮擋損失、BD反射鏡的陰影影響,以及接收器的溢出損失在鏡場中的分布規(guī)律�；谠撘�(guī)律,采用GA算法與太陽花盤仿生排布耦合方法獲得了最優(yōu)的鏡場排布結(jié)構(gòu)及參數(shù)為a=7,b=0.55,在該參數(shù)下,由780組線菲定日鏡、15600m2采光面積組成的鏡場具有最優(yōu)的光學(xué)效率約為0.543。第五,基于多參數(shù)的通用型熱遷移因子分析以及MCRT與CFD耦合的三維分析方法,針對不同鏡場規(guī)模下的點(diǎn)聚焦腔體接收器的光-熱-流-固耦合能量轉(zhuǎn)換性能進(jìn)行了詳細(xì)分析。錐形螺旋管接收器與小規(guī)模鏡場的最佳匹配圓錐角為100°。對與規(guī)�；R場相匹配的CPC腔體接收器分析發(fā)現(xiàn):隨著寬高比的增大,圓柱型與圓錐型腔體接收器的集熱效率均逐漸增大,并且隨入口空氣溫度的升高進(jìn)一步減小;在相同條件下,圓錐型腔體接收器的通用型熱遷移因子大于圓柱型,圓錐型腔體接收器的集熱效率略高于圓柱型。半球型接收器因吸收表面能流分布較均勻,其吸收表面溫度分布比圓柱面更均勻。仿吸收面型的玻璃面蓋結(jié)構(gòu)可有效削弱腔內(nèi)自然對流,并且隨著入口空氣溫度的升高,削弱效果越加明顯,可提高集熱效率約6%;隨著兩個分體面蓋間距增大,腔體與外界環(huán)境的熱損失增大,導(dǎo)致集熱效率逐漸下降,其中半球型接收器的集熱效率與其它兩種結(jié)構(gòu)相比,具有明顯優(yōu)勢。隨著入口空氣溫度的升高,三種腔體接收器的集熱效率都相應(yīng)減小,此時,半球面型腔體接收器與圓錐形腔體相比高出5%,比圓柱型腔體接收器高出約9%的集熱效率,三種腔體接收器的通用型熱遷移因子都呈現(xiàn)指數(shù)型下降趨勢,半球型腔體接收器的熱遷移因子優(yōu)于其他兩種結(jié)構(gòu);隨著體積流量增加,三種腔體接收器的集熱效率增加,獲得最佳體積流量為41m3/s;流量的提高對于改善通用型熱遷移因子的效果尤為突出,并且在25~41m3/s流量區(qū)間內(nèi),流量改變對熱遷移因子的影響更為敏感。三種腔體接收器的集熱效率都DNI的增大而減小,其通用型熱遷移因子都相應(yīng)增大,逐漸偏離理想狀態(tài)。半球型腔體接收器因具有最均勻的吸收表面能流分布特性,集熱性能較優(yōu),與規(guī)�；R場光熱轉(zhuǎn)換匹配性最好。
【圖文】：

太陽l

分為點(diǎn)聚焦和線聚焦兩大系統(tǒng)。圖 1 2 給出了四種 CSP 技術(shù)的聚光原理，可以看出線菲和槽式屬于線聚焦技術(shù)，而塔式和碟式則屬于點(diǎn)聚焦技術(shù)。在四種 CSP 技術(shù)中，碟式技術(shù)的聚光比最高（1000—3000），塔式次之（300—1000），槽式（70—80）和線菲（25—100）相對較低。
【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】：2015
【分類號】：TK513.1

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本文編號：2634267