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1、毕业设计论文基于CPC技术20KW太阳能集热系统设计 本科生毕业设计（论文）题 目： 基于CPC技术20KW太阳能集热系统设计学生姓名： 系 别： 机械与电气工程系 专业年级： 指导教师： 2014年 6 月 10 日摘要 介绍了基于新型CPC集热器的太阳能集热系统的设计，重点介绍了新型CPC集热器和集热系统的结构设计。对整个系统进行传热分析，根据具体事例和仿真条件，利用MATLAB软件对系统进行动态仿真，得出不同情况下的集热效果，为设计过程提供依据，为太阳能集热系统在我国的应用提供一定参考。关键词：CPC技术，20KW，太阳能，集热系统ABSTRACTIntroduction the des

2、ign of solar energy collector system base on novel CPC(Compound Parabolic Concentrator) technology , key introduction the novel CPC collector and the structure design of collector system .After the heart transfer analysis for system , according to concrete example and simulation ,applying the MATLAB

3、 modeling emulation technique to dynamic simulation ,obtain the outlet temperature of system in different situation ,it will provide the basis for the design process.KEY WORDS: CPC technology , 20 KW, solar energy, collector system 目 录第一章 引 言 .11.1课题的研究背景及意义 .11.2复合抛物型反射聚光器发展概况 . 2第二章CPC技术工作原理及分类 32

4、.1 CPC的工作原理及应用 32.1.1 CPC光学原理 32.1.2 CPC聚光器的截取 52.1.3 CPC在太阳能集热中的应用 52.1.4 CPC的优点 62.2 CPC的结构分类及优点 62.2.1 直通式CPC 62.2.2 热管式CPC 82.2.3 自聚光式CPC 9第三章 CPC集热系统设计要求及参数选择103.1 设计要求 .103.2参数选定 .103.2.1 太阳能热水系统设计的基本条件.103.2.2 相关参数及定义.103.3 太阳能热水系统类型的确定.113.4太阳能集热器类型的确定 113.5太阳能集热器面积的确定 113.5.1直接系统集热器面积.133.6

5、系统组成.14参考文献. 16致 谢.17附件.18第一章 引言CPC（Compound Parabolic Concentrator）就是复合抛物面集热器装置，能提供中高温的蒸汽和热水，可用于制冷，尤其是热源品位要求较高的氨吸收式制冷，同时还可用于汽轮机发电和太阳能淡化海水等场合。就目前来说，人类直接利用太阳能还处于初级阶段，主要有太阳能集热、太阳能热水系统、太阳能暖房、太阳能发电等方式。 太阳能热水器装置通常包括太阳能集热器、储水箱、管道及抽水泵其他部件。另外在冬天需要热交换器和膨胀槽以及发电装置以备电厂不能供电之需 。太阳能集热器(solar collector)在太阳能热系统中，接受太

6、阳辐射并向传热工质传递热量的装置。按传热工质可分为液体集热器和空气集热器。按采光方式可分为聚光型和聚光型集热器两种。该设计就是基于这种新型CPC集热器而设计的，利用新型CPC集热器将太阳能转化为热能加热，该系统结构简单，操作方便，既节能又环保，具有很大的使用价值和发展前景。1.1 课题的研究背景及意义70年代，国际上出现一种“复合抛物面镜聚光集热器”（CPC），它由二片槽形抛物面反射镜组成，不需要跟踪太阳，最多只需要随季节作稍许调整，便可聚光，获得较高的温度。其聚光比一般在10以下，当聚光比在3以下时可以固定安装，不作调整。当时，不少人对CPC评价很高，甚至认为是太阳能热利用技术的一次重大突破

7、，预言将得到广泛应用。但几十年过去了，CPC仍只是在少数示范工程中得到应用，并没有象平板集热器和真空管集热器那样大量使用。我国不少单位在七八十年代曾对CPC进行过研制，也有少量应用，但现在基本都已停用。其它反射式聚光器还有圆锥反射镜、球面反射镜、条形反射镜、斗式槽形反射镜、平面。抛物面镜聚光器等。此外，还有一种应用在塔式太阳能发电站的聚光镜-定日镜。定日镜由许多平面反射镜或曲面反射镜组成，在计算机控制下这些反射镜将阳光都反射至同一吸收器上，吸收器可以达到很高的温度，获得很大的能量。太阳能发电主要有两种方式，即太阳能光伏发电和太阳能热发电。国外相关研究表明，相对于光伏发电而言，太阳能热发电能够实

8、现电网大容量供电，是太阳能大规模利用的有效途径之一。太阳能作为可再生的清洁能源，是理想的替代能源之一。我国地域广阔，太阳能资源丰富，也为太阳能与化石燃料混合发电的发展提供了先天的有利条件。本文针对太阳能集热系统进行性能分析，并努力寻求系统的节能本质。为我国的太阳能集热系统的实施和市场推广提供一定的参考。1.2复合抛物型反射聚光器发展概况 复合抛物面聚光器(CPC) 是一种根据边缘光学原理设计的非成象聚光器，它由两片槽状抛物线形的反射面，以及底部吸收体组合而成，可利用多个单体组成聚光器整体，以平板、三角形、圆管、蛇形管等作为吸收器置于吸收面上，热管型复合抛物面聚能器如图 1-1 所示。入射阳光在

9、 CPC中通过几次反射到达接收表面，流失较少，还可对倾斜入射的太阳光进行有效收集，达到最大理论聚光比，性能非常接近于理想聚光器。只要在接收角的范围内，对于所有的入射角而言，CPC 都具有相同的集光比。CPC 的运行不需要随时跟踪太阳位置，制成后沿东西方向放置，只需根据季节调节方位，结构简单，操作控制方便。非成象的 CPC 聚光比一般不超过 15(当聚光比在 3 以下时可固定安装)，工作温度范围 80250，是具有一定特色的中温聚光集热器。可以看出国内关于太阳能热发电主要集中于小型太阳能热发电装置的研究，关于太阳能集热系统的研究和实施基本还实在处于起步期间。第二章 CPC技术工作原理及分类复合抛

10、物面聚光器(Compound Parabolic Concentrator，简称CPC)是一种根据边缘光学原理设计的非成像聚光器，由两片槽形抛物面和渐开面组成的聚光镜构成，如图2-1所示。图2-1 复合抛物面聚光器结构示意图CPC可将给定接收角范围内的入射光线按理想聚光比收集到接收器上，由于有较大的接收角，因而在工作时只需作季节性调整，无须连续跟踪。它可达到的聚光比一般在10以下，当聚光比小于3时，可做成固定式CPC。CPC不但能接收直射太阳辐射，还能很好的接收散射辐射，对聚光面型加工精度要求不是很严格，又无须跟踪机构，有着广泛的应用前景。2.1、CPC的工作原理及应用 2.1.1 CPC光学

11、原理图2-2是二维CPC的几何图形，由图可知，二维CPC抛物线A的焦点FA位于抛物线B上，而抛物线B的焦点FB则位于抛物线A上，抛物线A和B对CPC的中心轴是对称的。aFA和bFB为CPC的入射限制线，它们分别与抛物线B和A的主轴相平行，其夹角为CPC的接受角2max，需注意的是，其交点不是抛物线A和B共同的焦点，CPC并无共同焦点;其右支抛物线的焦点FB靠近左支抛物线的起点。光线S1,S2, S3照射到抛物面上后，聚焦到抛物线的焦点上，因抛物线的焦点不在吸热圆上，光线聚焦在吸收器的C, D, F三点，而不是聚焦在一点上。这样使得聚焦的光线在吸收体上分布合理，不易形成焦斑， 图2-2 CPC结

12、构及光学原理从而不易损坏集热管。FAG, GFB为两段对称的渐开线，渐开线的展开圆为吸热管的外圆，即吸热圆。由圆的渐开线性质可知，从圆外任何方向射向圆的渐开线上的光线经反射后都投射到该圆上，因此它具有不用跟踪太阳也可以接受会聚光线的功能，故提高了聚光器的光学效率。 利用射线跟踪法，很易于了解CPC的聚光特性，若视太阳为点光源并认为镜面无像差，则太阳直接平行于抛物线A的主轴时，入射角i=max（i为入射辐射与CPC对称轴之间的夹角)，射线将被汇集至其焦点FA。若入射角imax，入射辐射在第一次反射后将达焦点FA的上方，最终将返回CPC的开口而不能到达接受器开口，如图3b。如果抛物镜是理想的，投射

13、在CPC开口上2max之间的辐射都将汇集到接受器。 图2-3 （a）入射角小于接受半角 图2-3（b）入射辐射大于接受半角对于理想的二维CPC，基于热力学原理可推得最大聚光比为: (21)由此可知， CPC的聚光比完全是由接受半角sinmax决定的。当接受半角max为 23.5时，C为2.51；当max为11.75时，C增大到4.91。随着max的减小，C逐渐增大。这就是说，要得到大的聚光比C，max就必须减小，而max减小会导致一年中调整CPC倾角的次数增加。阳光每小时转过15，光线由bFB移动到aFA的时间为2/15在这段时间内，射入开口ab的光线都能被接收器有效地吸收。由此可见，接收角2

14、越大，ab的开口越大，接受器接收阳光的时间越长，制作成固定式CPC的优势越大。2.1.2 CPC聚光器的截取图2-2中可以看出CPC上半部分几乎对称平等，作用不是很大，实际应用中将其截去一部分，可以减少用材，降低成本，也可以提高性价比。圆管型CPC经过截取后，开口到圆管接收器圆心间的距离与原来的距离之比，称之为截取比。当截取比较大(即截取的部分较少)时，聚光比的减小很少，但截取比太小会造成聚光比减小，一般截取比大于1/2时聚光比减小的很缓慢;只有当截取比小于1/2时聚光比才迅速减小。综合考虑系统的效率和经济性，截取比为1/2一2/3时比较理想。2.1.3 CPC在太阳能集热中的应用CPC作为聚

15、光器在太阳能集热中已得到广泛关注和应用。根据CPC在集热管中的位置可分为CPC外聚光式集热器(图2-4a)和CPC内聚光式集热器(集热管)(图2-4b)。图 2-4a 外聚光式 图2-4b 内聚光式CPC外聚光式集热器由于聚光比的限制以及热量散失的影响，集热温度一般不会很高，所以一般研究对象为内聚光式。本文所述CPC皆为内聚光式。2.1.4 CPC的优点与其它聚光器相比，CPC具有以下优点:(1)运行不需要随时跟踪太阳位置，只需根据季节调节方位，当聚光比在3以下时可做成固定式装置;(2)可以接收直接太阳辐射和部分散射辐射，并能接收一般跟踪聚光器所不能接收的“太阳周围辐射”;(3)结构简单，操作

16、、控制方便;(4)由其组成的聚光集热器工作温度范围为80250，是具有一定特色的中温聚光集热器;(5)由其组成的CPC式真空集热管可应用于槽式太阳能热发电中，起到二次反光的效果，工作温度可达更高，不过聚光比一般在10以下。2.2 CPC结构分类及优点2.2.1直通式CPC直通式CPC结构是相对于一端封闭的结构(如热管式、U型管式)而言的，一根表面涂有选择性吸收涂层的金属吸热管外面罩有玻璃管以减少与空气间对流换热，吸热介质从吸热管的一端流入，在管内加热后，直线流动从另一端流出，进入下一个单元或用户。 2.2.1.1单层玻璃一金属直通式CPC 结构为一根表面涂有选择性吸收涂层的金属吸热管外面罩有玻

17、璃管，玻璃管与金属管间抽真空，为了实现金属管与玻璃管之间的真空密封，采用可伐合金过渡封接，可伐合金与玻璃之间融封(主要有铅封和铝封)或熔封连接；并采用膨胀节以消化金属与玻璃间的膨胀量差(图2-5a)。对于中温使用场合，融封连接是足够的，作者曾对国内某著名企业生产的铅封式集热管进行试验，结果表明其最高可达到285。对于CPC式集热器，一般是达不到这个温度的，所以CPC式集热器可用融封连接。但如果是作为在槽式太阳能热发电中二次反射的集热管，直通式CPC则应该采用熔封结构，方能达到耐温要求。 图2-5a 直通式CPC结构图 图2-5b 倒V型结构剖面图图2-5b所示为倒V型结构，直通式CPC还可根据

18、具体情况制成W型和连续V型结构。2.2.1.2双层玻璃一金属直通式CPC 如前所述，单层玻璃管内放置CPC，金属吸热管与玻璃管间抽真空后能达到非常好的效果。但金属管与玻璃管间需要用可伐合金件过渡封接，可伐合金与玻璃之间封接目前主要采用融封和熔封两种方式，技术水平都比较成熟，但制作比较复杂，制作成本较高。那么在一些不需要太高温度的场合，可以采用双层玻璃结构(图2-6a)，在双层玻璃夹层间或双层玻璃内放置CPC(包括倒V型和W型等)，以达到聚光集热的作用。双层玻璃间抽真空相对容易且可长期保持，可减少吸热管与空气对流换热;作为吸热管的金属管表面涂有可在非真空情况下使用的吸收镀膜;金属管与玻璃管之间只

19、需用一个隔热的封头联接。目前正在进行一系列试验，主要解决双层玻璃管与金属管联接处由于导热产生玻璃管裂管问题。 图2-6a 双层玻璃夹层间结构 图2-6b 双层玻璃内结构采用双层玻璃结构，结构简单、制作方便、成本很低。在安装时，可根据现场条件，确定双层玻璃管的长度;吸热管之间可采用“硬”连接方式，只需要在最终两头留有消化膨胀量结构即可。2.2.2热管式CPC热管式CPC是采用具有高效传热性能的热管作为吸热管，放置在CPC渐开线上部，形成的集热器(集热管)。2.2.2.1单层玻璃热管式CPC太阳光穿过真空管外层的玻璃管，一部分直接照射到热管上，另一部分照射到聚光板上，聚光板再将太阳光经过一次或多次

20、反射汇聚到热管上(图2-7)。热管蒸发段的选择性吸收涂层吸收太阳光，并转化为热能，热管内部的工质受热蒸发，上升至热管冷凝段，将热量传递给热管冷凝段管外的冷却介质，而蒸汽此时冷凝为液体，依靠重力沿热管的内壁面流回到热管的蒸发段，重新循环使用。这一过程不断重复，以此来吸收太阳能。 图2-7 真空管截面示意图热管式CPC是一端封闭的结构，热管的蒸发段(在玻璃管内部分)顶部是自由端，因而不需要膨胀节消化膨胀量差。热管与玻璃管间仍采用融封连接(适用于集热器或中温集热管)和熔封连接(适用于槽式太阳能热发电，但CPC式集热管不适用于球面碟式)。2.2.2.2双层玻璃热管式CPC单层玻璃管内放置CPC，经抽真

21、空后能达到非常好的效果，作为集热器，目前在太阳能热水器中得到应用。但热管与玻璃间需要用可伐合金件过渡封接，同直通式CPC一样，可以采用双层玻璃结构，在双层玻璃夹层间或双层玻璃内放置CPC(包括倒V型和W型等)，以达到聚光集热的作用。2.2.3自聚光式CPC上述几种CPC都是由金属反光板制成，放置在玻璃管内。1979年，R.Winston提出了一种自聚光式结构，直接将玻璃管制成CPC形状，并在其内表面涂上反光材料，作为CPC聚光器使用;吸热管放置要保证CPC形状的上部吸热(图2-8)。图2-8 自聚光结构剖面图自聚光式CPC的主要困难在于玻璃管的制作，其它方面较直通式方便。除了图2-8的倒V型结

22、构外，还可制成W型、连续V型、热管式结构，是一个值得研究的方向。第三章 CPC集热系统设计要求及参数选择3.1 设计要求 根据GB/T18713-2002太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范、GB50364-2005民用建筑太阳能热水系统应用技术规范、GB/T20095-2006太阳热水系统性能评定规范、国标图集06J908-6太阳能热水器选用与安装06SS128太阳能集中热水系统选用与安装设计一功率为20KW的集热系统。3.2参数选定3.2.1太阳能热水系统设计的基本条件 根据我国太阳能资源分布情况，山东省属于太阳能资源较丰富地区，但山东省各地太阳总辐射地区差异大，其中胶东半岛南部太阳

23、总辐射量较小，北部蓬莱、龙口一带较大，鲁北垦利、河口一带太阳总辐射量较大，民用建筑宜设计选用太阳能热水系统。 山东省各地年总太阳辐射量在4542.615527.32MJ之间,其中蓬莱年总辐射量最多,为5527.32MJ.3.2.2相关参数及定义3.2.2.1聚光比 （1）几何聚光比：集热器的受光面积与吸热器的吸热面积之比。 (3-1) （2）辐射通量聚光比：聚集到吸热器上的平均辐射强度与入射太阳辐射强度之比。 (3-2)由于镜面在光学加工过程中存在加工误差，导致通过收光空的射线并不是都能够汇集到吸热面上，因此，总是小于。二者之间的关系为： = ,称为“光学散射损失因子”。图3-1 聚光器结构图

24、（3）符合抛物面聚光器的聚光比 聚光比定义为收光孔面积与吸热器面积之比，即: (3-3)分析各几何部分的相互关系，可以得到符合抛物面的最大聚光比为: (34) 每一侧的反射面由抛物面和圆渐开线组成，G和F分别为左、右抛物面的焦点 3.2.2.2 热损失与集热效率对流热损失和辐射热损失的影响因素（a） 玻璃盖板的特性（b） 保温层（c） 吸热体表面特性（d） 风速 集热效率可用下式表示： (35) (36) 式中，表示集热器内加工质的加热功率，单位W；A 集热面积，单位；G表示太阳总辐照度（光照强度），单位。3.3太阳能热水系统类型的确定设计人员应根据建筑物以上综合因素，依据规范GB50364-

25、2005表4.2.6 选择系统类型，选择其类型、色泽和安装位置，应与建筑物整体及周围环境相协调。热水系统、强制循环系统、间接系统系统选型举例：太阳能热水系统对照表4.2.6选择系统类型即为：集中供、内置加热系统、全日自动启动系统。3.4、太阳能集热器类型的确定太阳能集热器的类型有平板型集热器和真空管集热器，真空管集热器又分全玻璃真空管和热管式真空管。真空管集热器具有保温性能好，低温热效率高，其吸收系数可达到9496%，辐射系数小于6%，适合在北方地区使用，国内应用约80%。而平板型集热器在高温时热效率高，低温时热效率较低，具有承压高、热传递性能好等优点，适合在南方地区使用，在国内应用约占20%

26、，在国外平板型集热器应用约占90%。太阳能集热器类型的确定应根据系统的特征、运行时间，运行环境及用户需求等综合因素来确定。太阳能集热器选择集热器产品主要有平板式、全玻璃真空管式、热管式、U型管式几种，应根据当地气候特点以及安装要求来选择适当的集热器。 (1)平板式集热器平板式集热器具有整体性好、寿命长、故障少、安全隐患低、成本造价低等优点，其热性能也很稳定；采用紧凑式或无间隙安装，在生产热水的同时还具有保温、隔热、遮光、防水的传统屋面功能，这就为取代部分或全部屋面构件提供了基础；集热器形状结构可灵活设计，尺寸可与建筑材料的模数和建筑结构达到较好的相容性。此外，平板式集热器对安装方向角度有较高的

27、要求。平板式集热器由于盖板内为非真空，保温性能差，故环境温度较低时集热性能较差。对于广东、福建、海南、广西、云南等冬天不结冰的南方地区用户，选取用平板式太阳能集热器是非常合适的。 (2)全玻璃真空管式集热器全玻璃真空管式集热器效率高，四季均可提供生活热水，对于长江、黄河流域地区的用户比较适宜。真空管对安装角度无特殊要求，水平安装时可实现按季节跟踪阳光，竖向安装可实现一天内跟踪阳光，但与平板式集热器相比存在一定的安全隐患，有可能发生爆管的现象，且系统不能承压运行。 (3)热管式集热器热管式集热器能抗-40C低温，而平板式、真空管式都无法抵抗如此低温，故东北三省、内蒙古、新疆、西藏地区的用户必须选用热管型太阳能集热器，但热管式的造价高昂。 (4)U型管式集热器对于工业用途的热水，一般要求70900的较高温度，并且要求承压，因此选用U型管式是比较划算的，它可承压、产水温度高且无安全隐患，系统稳定性好，价格也比热管式低。 （5）新型CPC热管式集热器 图3-2为新型CPC热管式集热器单元结构,它由聚光面和装在底部的接收器构成。聚光面是由两片 槽状抛物面和渐开面组合而成。 图3-2 新型CPC热管式集热器结构3.5太