【摘要】：化石能源短缺以及無(wú)節(jié)制使用化石能源所帶來(lái)一系列環(huán)境問(wèn)題,是現(xiàn)代人類社會(huì)面臨的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一。尋找可緩解甚至替代化石能源的清潔可再生能源已迫在眉睫。太陽(yáng)能總量龐大、分布廣泛、獲取方便,被認(rèn)為是最有前途的可再生能源之一。但也存在著能流密度低、空間分布不均勻、工作時(shí)間不連續(xù)等缺點(diǎn),因此就需要聚光集熱技術(shù)對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行匯聚以提高熱能品位�，F(xiàn)有的點(diǎn)、線聚焦聚光集熱器雖然可以提高集熱溫度,但其對(duì)跟蹤精度的要求也很高,進(jìn)而增大了太陽(yáng)能利用系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)成本,不利于市場(chǎng)化推廣。為此,本文設(shè)計(jì)了一種可用于中低溫利用、接收半角大、對(duì)日跟蹤要求低的槽式復(fù)合多曲面聚光器(Compound Parabolic Concentrator,CPC),并對(duì)其展開(kāi)了如下方面的研究:首先,通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算得到了構(gòu)成聚光器的拋物線方程,利用SolidWorks軟件建立了聚光器三維模型,并導(dǎo)入到光學(xué)仿真軟件中,模擬研究了接收體位置、光線入射偏角和對(duì)日跟蹤誤差對(duì)聚光器性能的影響,結(jié)果表明,CPC光線接收率和聚光效率均隨著接收體距離底部高度增加呈先增加后減小的趨勢(shì),對(duì)于給定規(guī)格的接收體存在最優(yōu)的安裝位置。聚光器光線接收率和聚光效率隨光線入射偏角和太陽(yáng)方位角跟蹤誤差的增大呈減小趨勢(shì),當(dāng)光線入射偏角增大到8°時(shí),接收體表面的光線接收率仍可達(dá)75.87%;相比而言,太陽(yáng)方位角跟蹤誤差對(duì)聚光器性能的影響較大,當(dāng)太陽(yáng)方位角跟蹤誤差為8°時(shí),聚光器的光線接收率僅為35.31%。其次,根據(jù)所設(shè)計(jì)的CPC結(jié)構(gòu),通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)加工制作了聚光器實(shí)物,并基于光學(xué)仿真結(jié)果,在呼和浩特地區(qū)搭建了聚光器光熱性能測(cè)試平臺(tái),在實(shí)際天氣下,分別試驗(yàn)研究了換熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油和空氣時(shí),聚光器安裝傾角、太陽(yáng)輻照度、換熱介質(zhì)流速、玻璃蓋板等對(duì)聚光器性能的影響,結(jié)果顯示,當(dāng)導(dǎo)熱油進(jìn)口油溫相同時(shí),正入射的出口油溫高于光線入射偏角為10°的出口油溫約3℃左右。CPC光熱轉(zhuǎn)換效率隨導(dǎo)熱油質(zhì)量流量減小而增大,質(zhì)量流量為100 kg/h時(shí),正入射的CPC瞬時(shí)光熱轉(zhuǎn)換效率為65.04%。聚光器的進(jìn)出口溫差隨空氣流速的增加而降低。在實(shí)際運(yùn)行工況下,安裝傾角為40°聚光器的進(jìn)出口溫差最大可達(dá)9.4℃,比同時(shí)刻安裝傾角為30°的聚光器進(jìn)出口溫差高約2.5℃。玻璃蓋板對(duì)聚光器聚光集熱性能的影響很大,有蓋板聚光器的進(jìn)出口溫差最大可達(dá)11.3℃,比同時(shí)刻無(wú)蓋板的要高出7.9℃。有玻璃蓋板聚光器在正午時(shí)達(dá)到最大效率值55%,是無(wú)蓋板聚光器效率最大值的1.53倍。最后,為了進(jìn)一步增大CPC的接收半角,降低聚光器對(duì)跟蹤精度的要求,在現(xiàn)有CPC的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,基于目標(biāo)參數(shù),通過(guò)對(duì)拋物面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移的方法得到了一種高寬比約為1,聚光比約為2,且組成CPC的拋物線焦點(diǎn)在聚光器出光口以下的非成像CPC。通過(guò)SolidWorks建立了聚光器模型,并將其導(dǎo)入到了光學(xué)仿真軟件中,進(jìn)行了光學(xué)性能分析,得到聚光器的最大接收半角為25°,大于原聚光器接收半角。
【學(xué)位授予單位】：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TK513.1
【圖文】：

圖 1-3 聚光型太陽(yáng)能聚光器分類Fig.1-3 Classification of concentrating solar energy collector（1）點(diǎn)聚焦聚光器點(diǎn)聚焦聚光器的聚光比很大，通常用于高能流密度的太陽(yáng)能利用場(chǎng)合，如碟式發(fā)電系統(tǒng)、碟式高倍聚光光伏系統(tǒng)、菲涅爾高倍聚光光伏系統(tǒng)、塔式聚光熱發(fā)電系等等。碟式聚光集熱器（Parabolic Dish Collectors, PDC）是典型的點(diǎn)聚焦聚光集熱器它的聚光比通常在 1000 以上。在高能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，碟式聚光集熱系統(tǒng)的集熱高溫超過(guò) 1500 ℃。在碟式熱發(fā)電系統(tǒng)中，碟式聚光集熱系統(tǒng)聚集太陽(yáng)能加熱工質(zhì)以驅(qū)熱機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)一步帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)被廣泛的應(yīng)用于碟熱發(fā)電系統(tǒng)中，使用布雷頓循環(huán)或朗肯-布雷頓聯(lián)合循環(huán)的汽輪機(jī)也可用于此類系統(tǒng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在相對(duì)較低的溫段（<950 ℃）性能更好，而汽輪機(jī)在高溫段性能更佳[5Chong K K 將碟式聚光器與聚光光伏光熱系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)合，系統(tǒng)總光電轉(zhuǎn)化率高達(dá)17%[6]。碟式聚光器的主要缺陷表現(xiàn)在跟蹤精度要求高，儲(chǔ)熱能力小、聚光光伏系中散熱機(jī)構(gòu)安裝困難、聚光系統(tǒng)與其它集熱系統(tǒng)匹配度小等，使其應(yīng)用領(lǐng)域局限于

圖 1-4 單碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)Fig. 1-4 Single-dish solar thermal power generation system聚光系統(tǒng)（Fresnel Lens），相比其它類型的聚光器，因于制造、在重量和體積上比一般透鏡更輕、更薄，在距比等優(yōu)點(diǎn)，在聚光光伏（CPV），特別是高倍聚光[7]。研究表明：基于成像的點(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡的聚光以達(dá)到 30%[8]。但菲涅爾點(diǎn)聚焦聚光光伏系統(tǒng)也存在運(yùn)行維護(hù)困難等缺陷，并不適于推廣應(yīng)用。

圖 1-4 單碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)Fig. 1-4 Single-dish solar thermal power generation system聚光系統(tǒng)（Fresnel Lens），相比其它類型的聚光器，因于制造、在重量和體積上比一般透鏡更輕、更薄，在距比等優(yōu)點(diǎn)，在聚光光伏（CPV），特別是高倍聚光[7]。研究表明：基于成像的點(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡的聚光以達(dá)到 30%[8]。但菲涅爾點(diǎn)聚焦聚光光伏系統(tǒng)也存在運(yùn)行維護(hù)困難等缺陷，并不適于推廣應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2800749