【摘要】：隨著人口的增長和工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展,在能源短缺的今天,可再生能源的開發(fā)和利用步伐明顯加快。儲量豐富、清潔持久的新能源——太陽能是很理想的能源之一。鹽梯度太陽池是集太陽能的收集和儲存于一體的太陽能利用裝置,具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉等優(yōu)點。目前,太陽池是國際國內(nèi)的熱點研究課題之一 本文以鹽梯度太陽池為研究對象,利用實驗測量、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法進行了多孔介質(zhì)對太陽池性能影響的研究。論文主要包括以下兩部分的內(nèi)容,一是利用實驗測量和數(shù)值模擬的方法研究了多孔介質(zhì)的有效導(dǎo)熱系數(shù),為研究多孔介質(zhì)對太陽池性能的影響作了準備工作；二是利用實驗室實驗、建在海邊的實驗太陽池的實驗及數(shù)值模擬的方法研究了多孔介質(zhì)對太陽池性能的影響。 進行多孔介質(zhì)對太陽池熱性能影響研究過程中,需要用到多孔介質(zhì)與濃鹽水混合物的有效導(dǎo)熱系數(shù),考慮到現(xiàn)有的測量固體和液體導(dǎo)熱系數(shù)的裝置不適宜測量爐渣、卵石與鹽水混合物的導(dǎo)熱系數(shù),本文自行建造了實驗臺,利用半無限大物體的導(dǎo)熱原理,測量了爐渣、卵石與水、濃鹽水混合物的導(dǎo)熱系數(shù)。本文將分形技術(shù)與孔道網(wǎng)絡(luò)模型相結(jié)合,描述了滿足分形冪率關(guān)系的多孔介質(zhì)的結(jié)構(gòu),利用二維、穩(wěn)態(tài)、無內(nèi)熱源導(dǎo)熱微分方程模擬計算了多孔介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)。模擬計算值與實驗值的比較結(jié)果表明本文的分形孔道網(wǎng)絡(luò)模型適用于計算多孔介質(zhì)的有效導(dǎo)熱系數(shù)。由于顆粒狀多孔介質(zhì)的孔隙尺寸不滿足分形冪率關(guān)系,本文利用圓柱體代表顆粒狀多孔介質(zhì)內(nèi)的顆粒,模擬計算了顆粒狀多孔介質(zhì)的有效導(dǎo)熱系數(shù),模擬計算值與實驗值進行了比較,結(jié)果表明本文圓柱模型適用于計算顆粒狀多孔介質(zhì)的有效導(dǎo)熱系數(shù)。 為了研究多孔介質(zhì)對太陽池熱鹽擴散的影響,本文設(shè)計了實驗室實驗。測量了有無多孔介質(zhì)裝置的溫度分布,計算了冷卻水從底部帶走的熱量等,研究結(jié)果表明多孔介質(zhì)可以起到隔熱保溫作用。在實驗容器中灌注了幾層不同鹽度的鹽水,通過測量各點的鹽度,研究了多孔介質(zhì)對鹽擴散的影響,研究結(jié)果表明多孔介質(zhì)可以抑制鹽向上擴散,有利于維持較大的鹽梯度。 本文在海邊沙灘建造了兩個結(jié)構(gòu)相同的小型太陽池,采光面積為2.5×2.5m2,水深為1.0m,研究了多孔介質(zhì)對太陽池性能的影響。比較了有無多孔介質(zhì)太陽池的溫度、鹽度和濁度,計算了太陽池的儲熱量、鹽梯度和穩(wěn)定性系數(shù)等,研究結(jié)果表明多孔介質(zhì)有利于提高太陽池下對流層(LCZ)的溫度和儲熱量；還有利于維持較大的鹽梯度和穩(wěn)定性系數(shù),有利于太陽池的穩(wěn)定運行。通過測量池水濁度,研究了多孔介質(zhì)對補充濃鹽水過程中池水濁度增加的抑制作用,研究結(jié)果表明多孔介質(zhì)的存在有利于補鹽的操作。 鑒于實驗研究耗時耗資,而且有些實驗條件不易實現(xiàn),本文利用數(shù)值模擬的方法研究了多孔介質(zhì)對太陽池傳熱傳質(zhì)的影響。由于多孔介質(zhì)層孔隙曲折,所以多孔介質(zhì)層不易出現(xiàn)對流。太陽池增加了多孔介質(zhì)層以后,傳統(tǒng)的三層模型即上對流層(UCZ)、非對流層(NCZ)和LCZ已不再適用,應(yīng)該用增加了多孔介質(zhì)層的四層模型,即UCZ、NCZ、LCZ和非對流多孔介質(zhì)層來代替原來的模型。用本文實驗池的數(shù)據(jù)校核了數(shù)值模型,模擬計算結(jié)果與實驗值吻合較好。利用北京地區(qū)多年氣象數(shù)據(jù)的平均值,研究了不同土壤條件下,多孔介質(zhì)加設(shè)于太陽池內(nèi)部時,多孔介質(zhì)的厚度、孔隙率等對LCZ溫度、儲熱量及提熱率等熱性能的影響。研究結(jié)果表明只有在土壤導(dǎo)熱系數(shù)較大時,加設(shè)多孔介質(zhì)才有意義,在土壤導(dǎo)熱系數(shù)較小時加設(shè)多孔介質(zhì)并不能改進太陽池的熱性能。模擬計算還表明隨著爐渣層厚度的增加,太陽池LCZ最高溫度不斷增加,而太陽池儲熱量先增后減,存在一個極大值,因此設(shè)置爐渣層的厚度需要同時考慮LCZ最高溫度和儲熱量兩個方面。本文還研究了多孔介質(zhì)孔隙率對太陽池性能的影響,其影響隨著固相與液相導(dǎo)熱系數(shù)比值的不同而不同。由于多孔介質(zhì)種類繁多,物性參數(shù)各異,本文研究了加入太陽池后能起到隔熱保溫作用的多孔介質(zhì)的可選范圍,結(jié)果表明多孔介質(zhì)的可選范圍較寬。本文還研究了多孔介質(zhì)加設(shè)于太陽池外形成的非飽和含濕多孔介質(zhì)對太陽池性能的影響,結(jié)果表明非飽和含濕多孔介質(zhì)有利于LCZ溫度的升高和儲熱量的增大,但是隨著液相體積百分比的增大,LCZ溫度和太陽池儲熱量降低。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：TK51

【參考文獻】

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1 宋軍;劉莉;;大連市太陽能資源評估分析[J];安徽農(nóng)業(yè)科學(xué);2009年08期

2 張忠進，，郎敏;斷電熱線法測試材料導(dǎo)熱系數(shù)的研究[J];東北電力學(xué)院學(xué)報;1995年04期

3 趙曉彤,趙景林,孫靈芳,徐志明,楊善讓,宋之平;均勻粒徑堆體積熱導(dǎo)率的實驗研究[J];東北電力學(xué)院學(xué)報;1997年03期

4 孫文策,周永平,解茂昭,張曦;鹽田太陽池實驗研究[J];大連理工大學(xué)學(xué)報;2003年02期

5 趙建華,孫文策,解茂昭,楊宏偉;海水太陽池二維數(shù)學(xué)模型[J];大連理工大學(xué)學(xué)報;2005年01期

6 王華;孫文策;潘洪坤;;小型海水太陽池實驗及考慮濁度的溫度分布模擬[J];大連理工大學(xué)學(xué)報;2008年06期

7 陳則韶,倪海濤,陳梅英;多孔介質(zhì)等效導(dǎo)熱系數(shù)的較高精度通用計算式[J];工程熱物理學(xué)報;1991年03期

8 葛少成,孫文策,解茂昭;太陽池非對流層最佳厚度及最大效率數(shù)值模擬[J];工程熱物理學(xué)報;2005年03期

9 李小川;施明恒;張東輝;;非均勻多孔介質(zhì)有效熱導(dǎo)率分析[J];工程熱物理學(xué)報;2006年04期

10 張紅梅;解茂昭;孫文策;葛少成;;鹽梯度太陽池熱性能模擬及實驗研究[J];工程熱物理學(xué)報;2006年S1期

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1 張海林;提高散體有效導(dǎo)熱系數(shù)模型準確度的理論與實驗研究[D];華北電力大學(xué)（河北）;2004年

2 葛少成;太陽池輻射透射及熱鹽雙擴散特性的實驗和數(shù)值模擬研究[D];大連理工大學(xué);2006年

3 王華;海水—鹵水太陽池熱性能研究和梯度層動力穩(wěn)定性分析[D];大連理工大學(xué);2008年

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1 王唯威;分形多孔介質(zhì)內(nèi)導(dǎo)熱與流動數(shù)值模擬研究[D];中國科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）;2006年

2 卜一凡;太陽池熱鹽雙擴散特性的數(shù)值研究[D];大連理工大學(xué);2009年

3 趙曉琳;多孔介質(zhì)有效導(dǎo)熱系數(shù)的算法研究[D];大連理工大學(xué);2009年

4 毛丹;散堆硫化礦石典型導(dǎo)熱特性研究[D];中南大學(xué);2008年

5 劉巖;配有太陽集熱器太陽池的數(shù)值模擬研究[D];大連理工大學(xué);2010年

本文編號：2690921