采用腔體吸收器的線聚焦太陽(yáng)能集熱器的理論及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、線聚焦太陽(yáng)能集熱器是規(guī)?；?yáng)能中高溫利用特別是中溫利用的主要技術(shù)和手段,在需要熱源溫度在100℃-300℃之間的中高溫利用領(lǐng)域,線聚焦太陽(yáng)能集熱器能夠保持較高的光熱轉(zhuǎn)換效率,同時(shí)在規(guī)模化應(yīng)用中具有很好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。目前線聚焦太陽(yáng)能集熱器中的吸收器多采用直通式金屬-玻璃真空集熱管,雖然高真空夾層大大減少了熱損失,但是同時(shí)存在著金屬與玻璃的封接出長(zhǎng)期工作后漏氣的問(wèn)題,而采用以黑腔原理為基礎(chǔ)的腔體吸收器可以有效的避免上述問(wèn)題,提高系統(tǒng)運(yùn)行的可

2、靠性,降低研究和生產(chǎn)的難度和成本。因此本文開(kāi)展了基于拋物面槽式反射鏡/線聚焦平板菲涅爾透鏡和腔體吸收器的中高溫太陽(yáng)能集熱器及其應(yīng)用的理論及實(shí)驗(yàn)研究,主要研究工作包括:
　　 (1)利用幾何光學(xué)理論建立了截面為圓錐曲線的槽式反射鏡和線聚焦平板型菲涅爾透鏡的三維聚光模型,利用該模型計(jì)算并分析了入射角度、焦距誤差、追蹤誤差和加工誤差對(duì)聚光比和平板吸收器上光帶的能量分布的影響；設(shè)計(jì)并加工了拋物面槽式反射鏡和平板菲涅爾兩種聚光器,對(duì)其聚光

3、性能和接收角進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。理論和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明:吸收器開(kāi)口寬度為5cm,接收角控制在±0.4°內(nèi)時(shí)可以獲得較高的光學(xué)效率。
　　 (2)自行設(shè)計(jì)和加工半圓形、圓弧形、三角形和正方形四種不同幾何形狀的腔體吸收器,從實(shí)驗(yàn)和理論兩方面入手分析了腔體吸收器的光學(xué)性能和熱力學(xué)性能,分析結(jié)果表明,三角形的腔體吸收器具有更好的光學(xué)效率和較小的熱損失。最終選擇了三角形腔體和兩側(cè)反射的矩形腔體吸收器并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,證明在采用拋物面槽式反射

4、鏡作為聚光器時(shí)三角形腔體吸收器的開(kāi)口深度為4cm時(shí)最好,正方形腔體吸收器的開(kāi)口深度為2cm時(shí)最好。根據(jù)最終的優(yōu)化結(jié)果加工成了長(zhǎng)度為1m的兩種吸收器。
　　 (3)自行設(shè)計(jì)了采用腔體吸收器的0.64m2平板菲涅爾透鏡太陽(yáng)能集熱器和8m2拋物面槽式集熱器的支撐結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置,開(kāi)發(fā)了能夠準(zhǔn)確有效的實(shí)現(xiàn)單軸追蹤的微型控制器。其中以拋物面槽式反射鏡+三角形腔體吸收器太陽(yáng)能集熱器的性能最優(yōu),晴好天氣時(shí)集熱器在半小時(shí)之內(nèi)從環(huán)境溫度升至366℃

5、,根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的集熱器效率曲線,在介質(zhì)溫度150℃,直射輻射600W/m2條件下,集熱器效率達(dá)46％。在集總參數(shù)法的基礎(chǔ)上建立了建立了拋物面槽式+腔體吸收器太陽(yáng)能集熱器的瞬態(tài)傳熱模型,利用該模型分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料特性對(duì)拋物面槽式反射鏡+腔體吸收器集熱器熱效率的影響,結(jié)果表明,當(dāng)聚光器的開(kāi)口寬度大于2m,保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)小于0.0035W/mK,腔體吸收器內(nèi)表面發(fā)射率小于0.1時(shí),拋物面槽式反射鏡+腔體吸收器集熱器的性能可以接近采用直

6、通式真空管的太陽(yáng)能集熱器。
　　 (4)建立了固定、單軸追蹤和雙軸追蹤的集熱器陣列排布方式的幾何模型,根據(jù)該模型可以指導(dǎo)工程實(shí)際中陣列的排布,計(jì)算了各種陣列的最優(yōu)間距并將結(jié)果擬合成公式作為設(shè)計(jì)時(shí)的參考。
　　 (5)構(gòu)建了兩種采用拋物面槽式聚光鏡+三角形腔體吸收器太陽(yáng)能集熱器的太陽(yáng)能系統(tǒng)--地?zé)崤c太陽(yáng)能聯(lián)合的發(fā)電系統(tǒng)以及基于雙螺桿動(dòng)力機(jī)的太陽(yáng)能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng),并對(duì)其在西藏地區(qū)的應(yīng)用進(jìn)行了可行性分析,結(jié)果顯示對(duì)于第一種類型