圆锥曲面组合式太阳能集热器研究.doc

圆锥曲面组合式太阳能集热器研究.doc

《圆锥曲面组合式太阳能集热器研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《圆锥曲面组合式太阳能集热器研究.doc（50页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

III

圆锥曲面组合式太阳能集热器研究

摘要

本课题研究的是太阳能热发电系统的关键部件——集热器，通过对已有的碟式集热器进行创新型改进，提高其热效率。

也就是在已有的碟式集热器底部位置附加一个双曲面体，并在焦点位置换成具有反射作用的双曲面，吸热器改到底部接收太阳能。

同时，运用组合式圆锥曲面的几何光学特性及涡动力学的相关理论，对原有及改进型集热器效率进行理论估算，并提出了验证实验，与原有集热器性能进行对比。

最后指出了文章不足之处，提出对组合式圆锥曲面结构进一步研究的展望。

关键词：

太阳能集热器，碟式，双曲面

ConicalSurfaceCombinedTypeSolarEnergyCollectorResearch

ABSTRACT

Thistopicisthekeytosolarthermalpowersystemcomponents-collector,throughtheexistingdisccollectorforinnovativeimprovementstoenhancethethermalefficiency.Thatistheexistingpositionofthebottomdisccollectorattachedtoahyperboloidbody,andfocuspositionintoareflexofthehyperboloid,theMinistryofheatsinkschangeintheendtoreceivesolarenergy.Atthesametime,theuseofcombinedconesurfacegeometryandopticalpropertiesofthetheoryofvortexdynamics,theoriginalcollectorefficiencyandimprovedtheoreticalestimates,andproposedaverificationexperiment,andcomparetheperformanceoftheoriginalcollector.Finally,thearticlepointedouttheinadequaciesofthestructuremadeofcompositeconicalsurfaceforfurtherstudyprospects.

KEYWORDS:

solarcollector,dishtype，hyperboloid

目录

摘要 I

ABSTRACT II

1绪论 1

1.1太阳能的利用及其发展趋势 1

1.1.1太阳能概念 1

1.1.2太阳能的利用 1

1.1.3太阳能利用的类型 1

1.1.4太阳能发展趋势 2

1.2当前太阳能光热发电技术 2

1.3太阳能集热器、吸热器的定义与分类 5

1.4太阳能热发电的主要问题及本文的研究意义 7

1.4.1太阳能热发电的主要问题 7

1.4.2本文的研究内容及意义 8

1.5本章小结 8

2聚光太阳能集热器 9

2.1概述 9

2.2聚光集热器的类型 9

2.3聚光太阳能集热器的基本理论 10

2.3.1聚光比与集热温度 10

2.3.2理论聚光比和理论集热温度 12

2.4抛物面聚光集热器 13

2.4.1聚光器的几何参数 13

2.4.2聚光集热器的热学分析 15

3新型集热器的初步设计及计算 17

3.1新型集热器的结构及其可行性分析 17

3.1.1已有的模型 17

3.1.2本文采用的改进型集热器 17

3.1.3方案可行性论证 20

3.2不考虑涡环结构情况下改进后的热性能 24

3.2.1抛物面聚光比的选取确定 24

3.3考虑涡环结构后集热器的热性能 28

3.3.1涡环的形成 28

3.3.2涡环结构的优越性 29

3.4本章小结 34

4新型集热器性能的模拟计算 35

4.1太阳能热发电系统的具体结构参数设计 35

4.2新型集热器的功率、效率对比验证模拟计算 38

4.3涡环结构对吸热器吸热效率的作用 42

4.4本章小结 42

5总结与展望 43

5.1主要内容回顾 43

5.2研究成果 43

5.3研究展望 43

致谢 45

参考文献 46

45

圆锥曲面组合式太阳能集热器研究

1绪论

1.1太阳能的利用及其发展趋势

1.1.1太阳能概念

太阳能是太阳内部由“氢”聚变成“氦”的原子核反应产生的能量。

太阳的核聚变可维持上百亿年，而地球尚可生存数十亿年，所以说利用太阳能的时间是无限的。

太阳辐射到地球表面的太阳能量其功率为80万亿千瓦，每秒钟照射到地球上的，就相当于燃烧500万吨煤释放的热量。

广义能量太阳能是地球上许多能量的来源，如风能、化学能、水的势能等。

狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。

人类利用大阳能已有三千多年的历史。

将太阳能作为一种能源和动力加以利用，则只有三百年的历史。

近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师发明第一台利用太阳加热空气使其膨胀做功而抽水的机器。

三百年来，利用太阳能的研究和使用历经坎坷，主要原因是技术尚不成熟，并且投资大，效果不理想，难以与常规能源竞争，因而得不到公众、企业和政府的重视与支持。

1.1.2太阳能的利用

太阳能是一种洁净的新能源，应用太阳能不会引起大气污染，也不会影响生态平衡。

与煤炭、石油等常规能源相比，它具有以下特点：

1）太阳能是地球上最主要的能源，处处都有太阳能，不需要运送，用一定的设备就可以就地应用，这对于边远地区，有更实际的意义。

2）太阳能是人类可以利用的最丰富的能源。

据估算，在过去漫长的11亿年中，太阳只消耗了它本身能量的2%。

太阳是一个炽热的球体，它将源源不断的将能量辐射到地球上。

3）虽然到达地球的太阳能量非常巨大，但这种能量分散，是一种低密度的间断性能源，要采集到足够功率的能源，收集装置面积必须大，因而造价高。

但这是暂时性的，可以通过提高收集效率和采用廉价材料的方法来克服这些问题。

4）太阳能的采集受气候、昼夜的影响较大。

采集量极不稳定，因此必须有储能装置，以提高其热能采集及应用系统的稳定性。

1.1.3太阳能利用的类型

关于太阳能的利用有很多种分类，但较权威的一般吧太阳能的利用分为3种形式：

（1）转化为电能，包括太阳能光伏发电（通过半导体光伏电池直接把太阳辐射能转化为电能）和太阳能光热发电（将太阳能转化为热能,然后利用热力循环的方法带动发电机发电）；

（2）转化为热能，包括太阳能灶，太阳能温室，太阳能空调，海水淡化，太阳能建筑等；（3）转化为化学能，包括光合作用，能源植物，太阳能制氢等。

其中，太阳能热发电主要包括两大类型：

太阳能间接发电，即太阳能通过热机带动常规发动机发电；太阳能直接发电，太阳能利用半导体或金属材料的温差发电、真空器件的热电子和热离子发电等。

前者已有一百多年的发展历史，而后者尚处于原理性实验阶段。

通常所说的天阳能热发电技术主要指太阳能间接发电。

本文仅研究太阳能间接光热发电技术。

1.1.4太阳能发展趋势

在煤炭、石油、天然气等常规能源日益减少,而人类对能源的需求越来越大的情况下,太阳能作为取之不尽、用之不竭、清洁环保的可再生能源,备受各国政府重视。

国际太阳能利用技术和产品的日趋成熟,更为太阳能推广利用创造了条件。

目前,可持续发展观念被普遍接受,太阳能开发、利用的研究也将掀起热潮。

至本世纪中叶,世界范围内的能源问题、环境问题的最终解决将依靠可再生洁净能源特别是太阳能的开发利用,随着越来越多国家的政府和有识之士的重视,太阳能的利用技术也有望在短期内获得较大进展。

越来越多的人们开始重视有机薄膜太阳能电池,制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础的,其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生的光电子转移效应。

不论以何种材料来制作电池,对太阳能电池材料一般的要求有:

1）半导体材料的禁带不能太宽;2）要有较高的光电转换效率;3）材料本身对环境不造成污染;4）材料便于工业化生产且性能稳定。

基于以上几个方面的考虑,硅是最理想的太阳能电池材料,这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。

但随着新材料的不断出现和相关技术的发展,以其他材料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。

进入21世纪以来,世界各国都十分重视太阳能利用技术的开发,而我国由于得天独厚的地理位置而具有丰富的太阳能资源,我国的年太阳能辐射能量,据估计能达到3340~8400MJ/m2。

由此可见,充分开发利用太阳能资源是节省和替代常规能源的有效措施,是实现能源可持续发展战略的必由之路。

而根据有关部门的预测,到2050年左右,太阳能将超过石油天然气等其他常规能源的使用规模而成为新能源的典型代表,进而在人类的生产、生活和社会展中扮演重要的角色。

1.2当前太阳能光热发电技术

根据太阳能聚光形式的不同，聚集式太阳能热发电系统通常分为3种：

槽式线聚集，塔式定日镜和碟式点聚焦。

其中，槽式系统由于是线聚集，一般采用真空管式吸热器。

塔式和碟式则是点聚集，一般采用腔式吸热器。

1）槽式太阳能热发电系统

槽式太阳能热发电系统是利用槽形抛物面反射镜将太阳光线聚焦到集热器上，对传热工质进行加热，经换热产生的蒸汽推动汽轮机带动发电机发电的能源动力系统。

其特点是聚光集热器由许多分散布置的槽形抛物面聚光集热器串、并联组成，如图1所示。

槽式太阳能热发电系统分为2种形式：

传热工质在各个分散的聚光集热器中被加热形成蒸汽汇聚到汽轮机，称之为单回路系统，如图1-1a所示；传热工质在各个分散的聚光集热器中被加热汇聚到热交换器，经换热器再把热量传递给汽轮机回路，称之为双回路系统，如图1-1b所示：

图1-1槽式太阳能热发电系统工作图

太阳能槽式发电系统是最早实现商业化的太阳能光热发电系统，它采用大面积的单轴槽式太阳能追踪采光板，通过对太阳光的聚焦，把太阳光聚集到安装在抛物线形反光镜焦点上的线形接收器上，并加热流过接收器的热传导液，使热传导液汽化，同时在能量区的热转换设备中产生高压、过热的蒸汽，然后送入常规的蒸汽涡轮发电机内进行发电。

通常接收太阳光的采光板采用模块化布局，许多采光板通过串并联的放置，均匀的分布在南北轴线方向。

槽式抛物面对太阳辐射多进行一维跟踪（如设备轴线南北方向布置，东西方向旋转跟踪），其几何聚光比为10-100之间，温度可达400℃左右。

一般地，系统由聚光集热装置、蓄热装置、热机发电装置或和辅助能源装置（如锅炉）等组成。

2）塔式太阳能热发电系统

塔式太阳热发电系统也称为集中式太阳能热发电系统，它利用定日镜跟踪太阳，并将太阳光聚焦在中心吸热塔顶部的吸热器上，在那里将聚焦的辐射能转变成热能，然后将热能传递给热力循环的工质，再驱动热机做功发电。

塔式太阳热发电系统通常可达到的聚光比为1000-3000，运行温度可达500-2000℃。

位于美国加州的Barstow地区的塔式太阳热发电系统，运行于1982——1988年之间，是当时世界上最大的验证第一代塔式发电技术的太阳能电站，设计容量为10MW。

它由跟踪太阳光的定日镜、吸热器、蒸汽发生器、热量储存系统以及热机单元