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太阳能多碟聚光系统聚集特性及吸热器光热力特性

王富强  
【摘要】:太阳能热动力发电具有不使用化石燃料、零污染物排放等优点,是清洁的发电系统。由于地球表面接收到的太阳辐射强度除了受到昼夜、季节和地理纬度等规律性因素的影响外,还受到阴云和雨雪天气等随机性因素的制约,以及集热子系统热流密度传输不均匀性的影响,因而太阳能的热利用具有显著的间断性和不均匀性,导致吸热器受到反复高温差的热冲击循环而承受高热应力并引起吸热器的弯曲变形及失效。 本文以太阳能高温热转换及利用为应用背景,结合实际应用过程中对太阳能高效低成本利用技术的发展需求,对太阳能热动力发电站中的太阳光线聚集与传输、能量的吸收与转换以及吸热器的可靠性等关键核心技术的科学基础问题展开研究。主要研究内容包括以下四个方面。 1.采用直接热流密度场实验测量系统对搭建在哈尔滨工业大学的双轴跟踪多碟聚光系统焦平面处热流密度场进行测量;并编制了基于蒙特卡洛法的求解太阳能辐射聚集传输问题的计算源代码,将实验测量得到的多碟聚光系统焦平面处无量纲热流密度场与数值模拟结果进行对比研究,找出数值模拟的最佳参数组合;研究了多碟聚光系统的反射镜数目及镜面反射率的变化对焦平面处的热流密度场分布的影响。 2.在分析半球形腔体式太阳能吸热器聚集辐射分布特性的基础上,结合太阳能光学窗口的折射而重新分配聚集辐射热流的作用,本文提出了含有上凸式光学窗口的腔体式太阳能吸热器,分析了等效误差、光学窗口特征参数及壁面吸收率对含有上凸式光学窗口半球形腔体式太阳能吸热器壁面热流密度场分布的影响;并对含有上凸式光学窗口的腔体式太阳能吸热器的热效率特性进行了研究;从吸热器光学效率的角度对平顶锥形腔体式太阳能吸热器展开研究,分析了吸热器开口半径和单碟聚光系统的相对光孔对平顶锥形腔体式太阳能吸热器的辐射传输特性的影响。 3.为了解决平顶锥形腔体式太阳能吸热器底面处金属管盘绕过程中无法布满整个底面而降低吸热器光学效率的问题,本文提出了两种新型底面凸起腔体式太阳能吸热器以达到提高吸热器光学效率的目的;并分析了底面凸起无量纲高度、壁面吸收率、指向误差和焦面位置误差等参数对底面凸起腔体式太阳能吸热器光学效率提高的影响。 4.采用蒙特卡洛法与有限单元法相结合的计算方法对管式太阳能吸热器进行了温度场、热应力场及应变场的研究,并将蒙特卡洛法与有限单元法相结合的计算结果与简化热流密度场边界条件下的计算结果进行对比研究。鉴于墨西哥国立大学太阳能热利用电站采用铜管式太阳能吸热器替代不锈钢管式太阳能吸热器来解决在实验和运行中发生的吸热器弯曲变形问题,本文研究了不同材料对管式太阳能吸热器的热应力场及应变场的影响。为了降低管式太阳能吸热器的热应力和总应变,本文提出了一种偏心管式太阳能吸热器,并研究了偏心角及偏心率对偏心管式太阳能吸热器的热应力场及应变场的影响。


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