在化石能源面臨著資源枯竭、污染嚴(yán)重雙重壓力的背景下,可再生能源的開發(fā)與利用成為能源可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一,對我國緩解目前面臨的能源危機有著重要意義。國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006～2020年)將“可再生能源低成本規(guī)模化開發(fā)利用”作為能源領(lǐng)域的優(yōu)先主題提出。太陽能作為一種清潔而又持久的可再生能源,對于節(jié)約常規(guī)能源、保護自然環(huán)境、減緩氣候變化等,都具有極其重大的意義。以太陽能為主的可再生能源將是本世紀(jì)的主要能源,是人類未來能源的基石。太陽池是一種可以收集、儲存太陽能,并作為低溫?zé)嵩磳ν夤岬柠}水池,具有普遍性、巨大性、長久性、無害性等優(yōu)點。本論文以實驗測量與數(shù)值模擬為主要手段,開展鹽梯度太陽池集熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究,探索利用改變太陽池結(jié)構(gòu)、增設(shè)多孔介質(zhì)材料、加蓋層及太陽能集熱器等多種方式,強化太陽池?zé)嵝阅�。主要研究工作包括實驗測量、數(shù)值模擬、太陽池能效分析三大部分,具體工作如下：(1)本文的實驗研究包括實驗室內(nèi)基礎(chǔ)性實驗和室外太陽池實驗兩部分。實驗室內(nèi)基礎(chǔ)性實驗主要包括：多孔介質(zhì)基本參數(shù)測量、多孔介質(zhì)蓄熱特性實驗、多孔介質(zhì)降濁特性實驗、太陽池運行環(huán)境氣象參數(shù)測量實驗、輻射透射率測量等基礎(chǔ)性實驗,該部分實驗結(jié)果可作為太陽池實驗及數(shù)值模擬的邊界條件,實驗規(guī)律可為太陽池性能優(yōu)化提供指導(dǎo),從而為下一步的太陽池實驗與模擬工作打好基礎(chǔ)。室外實驗采用多種方式增強太陽池?zé)崽匦缘膶Ρ葘嶒?建立2個表面積為2.4m×2.4m、深1.2m的小型鹽水太陽池,實驗對太陽池的溫度、濁度分布進行了測量,通過對實驗數(shù)據(jù)的非線性擬合構(gòu)建了輻射透射率混合回歸模型；通過分階段性對比實驗,研究了向太陽池底部添加多孔介質(zhì)、在太陽池表面加透明塑料膜覆蓋,以及輔助太陽能集熱系統(tǒng)的方法,討論了三種方式對太陽池溫度特性以及濁度的影響,探索強化太陽池?zé)嵝阅艿耐緩健?2)數(shù)值模擬按照研究側(cè)重點的不同分別采用一維數(shù)值模擬和二維數(shù)值模擬。一維數(shù)值模擬側(cè)重于池內(nèi)溫度的變化、各部分熱量損失分析以及多種強化措施下太陽池的熱性能變化規(guī)律。二維數(shù)值模擬側(cè)重于池內(nèi)空間流場的分布規(guī)律,梯形壁面的二維傳熱規(guī)律分析,以及分界面的動態(tài)穩(wěn)定性分析。一維模型基于實驗數(shù)據(jù)建立了梯形鹽梯度太陽池的熱鹽雙擴散數(shù)學(xué)模型,以Matlab 7.0為平臺,對表面積2.4x2.4m2、深1.2m的梯形鹽水太陽池進行了一維數(shù)值模擬。模擬在充分考慮本地氣候條件與太陽輻射的情況下,改進了池底反射模型,使輻射透射模擬結(jié)果更加合理；對現(xiàn)有散熱模型加以改建,建立表面熱損失、壁面熱損失和土壤層熱損失的詳細(xì)模型,以此為邊界條件研究太陽池的熱性能與穩(wěn)定性,對比表明計算值和實驗值吻合較好；在此基礎(chǔ)上,進行增強型太陽池的數(shù)值模擬研究。建立了多孔介質(zhì)蓄熱模型、太陽能集熱器的熱平衡方程及蓋層模型,討論各增強措施對太陽池?zé)嵝阅芘c穩(wěn)定性的影響,并建立增強型太陽池一維預(yù)測模型,分析了增強型太陽池溫度發(fā)展趨勢。二維數(shù)值模擬建立了熱鹽雙擴散數(shù)學(xué)模型,引入鹽水密度、熱源項、邊界條件等自定義函數(shù),對梯形太陽池進行了非穩(wěn)態(tài)模擬研究。模擬以CFD商業(yè)軟件Fluent13.0為平臺,通過用戶函數(shù)自定義(UDF)引入熱源項、鹽水密度函數(shù)、邊界條件等,并利用自定義標(biāo)量(UDS)構(gòu)建鹽度運輸方程,建立了梯形太陽池的二維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型。將模擬結(jié)果分別與實驗數(shù)據(jù)及文獻中的模擬結(jié)果進行對比,從溫度場和流場分布兩個角度驗證了模型的有效性,并進行了梯形池和矩形池在溫度分布、散熱損失、壁面溫度等方面的對比。與一維模型相比,二維模型更著重于由雙擴散對流、表面風(fēng)速等現(xiàn)象對太陽池內(nèi)部穩(wěn)定帶來的的影響及其引起的流型變化,分析了熱鹽雙擴散條件下,梯形太陽池的內(nèi)部溫度場、流場的動態(tài)變化規(guī)律及分界面穩(wěn)定特性。(3)太陽池效率分析包括能源效率分析與煙效率分析。以熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)理論,結(jié)合能源效率與(?)效率的定義,對進、出太陽池各層的能源加以分析,建立梯形太陽池的能源效率與(?)效率表達式,進而分析梯形太陽池的能源效率與(?)效率。通過將梯形太陽池與矩形太陽池的比較,以及太陽池不同運行階段的效率對比,分析太陽池能源利用效率。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TK512.4
【部分圖文】：

姆琳嘛如逡逑（ａ）榐基邐（ｂ）^~基邐（Ｃ）內(nèi)醋基邐（ｄ）酪}L基逡逑圖２．１含氧官能團的化學(xué)結(jié)構(gòu)逡逑Ｆｉｇ．２．１邋Ｔｈｅ邋ｃｈｅｍｋａｌ邋ｓｔｒｕｃＵＪｉ＊ｅ邋ｏｆ邋ｏｘｙｇｅｎ邋ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ邋ｆＵｎｃｔｉｏｎａ】邋ｇｒｏｕｐｓ逡逑煤基活性炭吸附微量有機物的主要原因是由于：在固體表面含氧基團與吸附質(zhì)之間逡逑發(fā)生的給電子－受電子作用；石墨結(jié)構(gòu)的ｎ電子與吸附質(zhì)之間發(fā)生的質(zhì)擴散作用；離子逡逑存在的靜電吸引和推斥作用。而泡沫陶瓷和氧化鉛小球的吸附主要是由其高的活性和大逡逑比表面積，吸附機理Ｗ多層離解吸附為主，但是其對金屬離子吸附有選擇性。逡逑２．１．２實驗內(nèi)容與方法逡逑（１）多孔介質(zhì)材料孔隙率測量逡逑多孔材料按照其成分可分為無機多孔材特和有機多孔材料兩大類，其中無機多孔材逡逑料包括金屬多孔材料和非金屬多孔材料，有機多孔材料則包括生物多孔材料和非生物多逡逑孔材料。本文采用的多孔介質(zhì)材料為無機非金屬多孔材料。本文實驗所采用多孔介質(zhì)材逡逑料是陶瓷小球、煤質(zhì)活性炭、鍋爐渣和ＳｉＣ泡沫陶瓷。其中，陶瓷小球分為直徑為３ｍｍ逡逑巧８ｍｍ兩種情況，巧Ｃ泡沫陶瓷分為大孔隙率和小孔隙率兩種類型。逡逑為了確定多孔介質(zhì)材料的基本物理參數(shù)，實驗測試了多孔介質(zhì)材料的堆積密度和孔逡逑隙率，為盡量減少實驗誤差，實驗中各參數(shù)均采用了多次測量取平均值的方法。所用設(shè)逡逑備主要包括游標(biāo)卡尺、容積為１００ｍｌ的量杯及ＢＳＡ－２２４Ｓ型電子天平

Ｆｉｇ．２．３邋Ｔｈｅ邋ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ邋ｏｆ邋Ｐｏｒｏｕｓ邋Ｍｅｄｉｕｍ邋（ＰＭ）邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋Ｔｕｒｂｉｄｉｔｙ逡逑（３）多孔介質(zhì)的蓄熱效果逡逑圖２．４給出了加入相同熱量的情況下，各多孔介質(zhì)對水溫的影響�？桑卓闯觯瑹o多逡逑孔介質(zhì)燒杯的最終溫度明顯低于有多孔介質(zhì)的溫度，說明義用多孔介質(zhì)材料，可Ｗ達到逡逑很好的蓄熱效果。各多孔介質(zhì)材料的初始溫度、體積相同，孔隙率相近，由圖可知，在逡逑加入相同熱量后，初始階段泡沫陶瓷的溫度最高，鍋爐渣溫度次之，煤質(zhì)活性炭其次，逡逑自然堆積的陶瓷小球最低，不同多孔材料的初期溫度由升到降的時間跨度逐漸變化，這逡逑是由于一部分熱量存膽在多孔介質(zhì)內(nèi)，而各多孔介質(zhì)材料質(zhì)量與比熱容不同導(dǎo)致出現(xiàn)溫逡逑差。由熱力學(xué)原理可知：多孔介質(zhì)材料的整體熱容越大，其存儲的熱量越多，則升高相逡逑同溫度所需要的熱量就越多，因此溫度由高到低的順序，也正是多孔介質(zhì)整體熱容從低逡逑至Ｉ搞的順序。逡逑圖２．４中沒有多孔介質(zhì)的燒杯初始溫度最局

大連理工大學(xué)博±學(xué)位論文明不添加任何多孔介質(zhì)情況下，溫度降低幅度最大。對于實驗中所用的幾，從經(jīng)濟性的角度來看，泡沫陶瓷的成本最高，而鍋爐渣的成本最低。逡逑

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本文編號：2823838