線性菲涅爾反射式太陽能集熱系統(tǒng)研究.pdf

1、太陽能是取之不盡、用之不竭的環(huán)保新能源，是世界應對能源危機的最佳解決方案之一。我國目前在太陽能低溫（100℃以下）應用（太陽能熱水器）方面取得了巨大的成功，但對太陽能中高溫熱利用(100～300℃)的研究還很少，廣大工業(yè)過程亟需環(huán)保、價廉的中高溫熱源。線性菲涅爾反射式(Linear Fresnel Reflector，LFR)太陽能中高溫集熱系統(tǒng)，使用平面反射鏡，易于制造、價格低廉，與其它聚焦太陽能系統(tǒng)相比具有顯著優(yōu)勢，得到了世界各國的

2、高度重視和普遍關注。
　　 目前，線性菲涅爾反射式集熱系統(tǒng)普遍存在遮擋和陰影問題，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題的影響。另一方面，在太陽能集熱系統(tǒng)中涉及到輻射-導熱-對流耦合傳熱，要實現(xiàn)整個能量傳遞環(huán)節(jié)在最優(yōu)工況下運行，必須研究高熱流密度條件下傳熱工質的換熱規(guī)律，探索接收器內強化傳熱的方法。有關這方面的研究已成為太陽能中高溫領域的前沿課題之一，具有十分重要的學術研究意義和非常廣闊的應用前景。

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

4、1kW菲涅爾反射集熱系統(tǒng)，給出了鏡場布置的關鍵參數(shù)，并利用TracePro光學模擬軟件，采用蒙特卡羅光線跟蹤法，建立了所設計的1kW菲涅爾反射系統(tǒng)的光學模型，研究了在不同太陽光線入射角的情況下，菲涅爾系統(tǒng)的鏡場布置和光學性能。
　　 其次，根據熱力學第一定律，對反射式線性菲涅爾單管CPC腔型集熱器的集熱性能開展了理論研究。針對該系統(tǒng)建立了穩(wěn)態(tài)模型，利用輻射熱網絡法和傳熱熱阻原理，研究了CPC腔型集熱器內的輻射傳熱和熱損失分布情況

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

6、熱性能分析軟件，用戶可以通過改變集熱器的結構參數(shù)來研究系統(tǒng)性能的相應變化，該軟件提供了一個可供反復使用且操作簡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線性菲涅爾反射式中高溫集熱系統(tǒng)，通過實驗來驗證其實際性能。本文測試了該集熱系統(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鍵參數(shù)。實驗結果顯示，該集熱器的平均熱損失系數(shù)UL約等于0.63W/(m2·℃)，表明本實驗裝置有著良好的保溫性