線(xiàn)性菲涅爾反射式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)研究.pdf

1、太陽(yáng)能是取之不盡、用之不竭的環(huán)保新能源，是世界應(yīng)對(duì)能源危機(jī)的最佳解決方案之一。我國(guó)目前在太陽(yáng)能低溫（100℃以下）應(yīng)用（太陽(yáng)能熱水器）方面取得了巨大的成功，但對(duì)太陽(yáng)能中高溫?zé)崂?100～300℃)的研究還很少，廣大工業(yè)過(guò)程亟需環(huán)保、價(jià)廉的中高溫?zé)嵩?。線(xiàn)性菲涅爾反射式(Linear Fresnel Reflector，LFR)太陽(yáng)能中高溫集熱系統(tǒng)，使用平面反射鏡，易于制造、價(jià)格低廉，與其它聚焦太陽(yáng)能系統(tǒng)相比具有顯著優(yōu)勢(shì)，得到了世界各國(guó)的

2、高度重視和普遍關(guān)注。
　　 目前，線(xiàn)性菲涅爾反射式集熱系統(tǒng)普遍存在遮擋和陰影問(wèn)題，造成系統(tǒng)利用效率低，必須研究菲涅爾系統(tǒng)的優(yōu)化布置形式以削弱該問(wèn)題的影響。另一方面，在太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)中涉及到輻射-導(dǎo)熱-對(duì)流耦合傳熱，要實(shí)現(xiàn)整個(gè)能量傳遞環(huán)節(jié)在最優(yōu)工況下運(yùn)行，必須研究高熱流密度條件下傳熱工質(zhì)的換熱規(guī)律，探索接收器內(nèi)強(qiáng)化傳熱的方法。有關(guān)這方面的研究已成為太陽(yáng)能中高溫領(lǐng)域的前沿課題之一，具有十分重要的學(xué)術(shù)研究意義和非常廣闊的應(yīng)用前景。

3、r>　　 本文首先研究了將平面反射鏡場(chǎng)與復(fù)合拋物聚光器(Compound Parabolic Collector，CPC)耦合考慮的新型菲涅爾反射聚光系統(tǒng)，探索解決線(xiàn)性菲涅爾系統(tǒng)陰影和遮擋問(wèn)題的方法。給出了CPC的設(shè)計(jì)原理和優(yōu)化途徑；分析推導(dǎo)了確定集熱系統(tǒng)接收器高度、鏡場(chǎng)范圍和反射鏡間距等重要參數(shù)的布置公式；計(jì)算出了每面反射鏡的最佳初始偏角，建立了反射鏡場(chǎng)布置和二次聚光器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合優(yōu)化理論與模型。并根據(jù)理論分析，設(shè)計(jì)計(jì)算了一個(gè)典型的

4、1kW菲涅爾反射集熱系統(tǒng)，給出了鏡場(chǎng)布置的關(guān)鍵參數(shù)，并利用TracePro光學(xué)模擬軟件，采用蒙特卡羅光線(xiàn)跟蹤法，建立了所設(shè)計(jì)的1kW菲涅爾反射系統(tǒng)的光學(xué)模型，研究了在不同太陽(yáng)光線(xiàn)入射角的情況下，菲涅爾系統(tǒng)的鏡場(chǎng)布置和光學(xué)性能。
　　 其次，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，對(duì)反射式線(xiàn)性菲涅爾單管CPC腔型集熱器的集熱性能開(kāi)展了理論研究。針對(duì)該系統(tǒng)建立了穩(wěn)態(tài)模型，利用輻射熱網(wǎng)絡(luò)法和傳熱熱阻原理，研究了CPC腔型集熱器內(nèi)的輻射傳熱和熱損失分布情況

5、，計(jì)算了該集熱器的集熱性能。模擬分析表明：在計(jì)算條件下，CPC腔型集熱器最大集熱效率約為0.65，在太陽(yáng)能集熱高溫段有著明顯的優(yōu)勢(shì)；增加接收器的長(zhǎng)度能夠很好地提高集熱溫度；通過(guò)玻璃蓋層的傳熱是系統(tǒng)熱損失的主要環(huán)節(jié)；集熱器光學(xué)參數(shù)對(duì)集熱性能的影響較大，應(yīng)努力提高玻璃蓋層的透過(guò)率和CPC腔體內(nèi)壁的反射率并降低保溫層外壁的發(fā)射率來(lái)減小總熱損系數(shù)，提高集熱器的熱性能。另外，運(yùn)用MATLAB/GUI圖形界面設(shè)計(jì)工具來(lái)研究開(kāi)發(fā)了一種CPC腔型集熱器

6、熱性能分析軟件，用戶(hù)可以通過(guò)改變集熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)研究系統(tǒng)性能的相應(yīng)變化，該軟件提供了一個(gè)可供反復(fù)使用且操作簡(jiǎn)單的集熱器熱分析工具。
　　 最后，基于上述理論優(yōu)化分析，搭建了典型1kW線(xiàn)性菲涅爾反射式中高溫集熱系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其實(shí)際性能。本文測(cè)試了該集熱系統(tǒng)的熱損失性能、空曬性能參數(shù)、CPC腔溫度分布和集熱效率等關(guān)鍵參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該集熱器的平均熱損失系數(shù)UL約等于0.63W/(m2·℃)，表明本實(shí)驗(yàn)裝置有著良好的保溫性