圆锥曲面组合式太阳能集热器研究文档格式.doc
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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等组成。
由平面镜、跟踪机构、支架等组成的定日镜阵列,可由微处理机控制实现最佳聚焦,始终对准太阳捕获并聚集太阳辐射能,并把入射光投射到吸热塔顶端的吸热器上,再通过吸热器把热力循环的工质加热至较高温度;
储存系统把部分热能储藏起来备用、以平衡系统能量供需;
而热机单元实现热转功的功能,把太阳能转换为电能输出。
吸热器中通入205℃的水,直接产生516℃、101bar的过热蒸汽,进入非再热的汽轮机膨胀做功,过热蒸汽也可以送入蓄热系统进行能量的存储,满足动力系统的启停和机组在夜晚时的用汽需求。
如果要求在阴雨天和夜间也能正常发电,可以增加合适的常规燃料作为辅助能源的辅助能源子系统,以形成太阳能和化石燃料综合互补的多能源发电系统。
另外不难看出,塔式太阳能热发电系统和槽式的系统相比,除聚光集热器有所不同之外,两者在系统构成和工作原理等方面都基本相似。
塔式太阳能热发电系统与槽式太阳能热发电系统相比,其集热温度更高,易生产高参数蒸汽,因此,热动装置的效率相应提高。
目前,塔式太阳能热发电系统的主要障碍是当定日镜场的集热功率增大时,即单塔的太阳能热发电系统大型化后,定日镜场的集热效率随之降低。
针对上述问题,国外学者提出多塔的定日镜场形式,我国学者提出了槽塔结合的双级蓄热太阳能热发电系统,这些研究为塔式太阳能热发电技术的发展开拓了新方向。
3)碟式太阳能热发电系统
碟式系统也称之为盘式系统,主要特征是采用盘状抛物面镜聚光集热器,其结构从外形上看类似于大型抛物面雷达天线。
由于盘状抛物面镜是一种吸热器接收的热量的聚焦集热器,其聚光比可以高达数百到数千,因而可以产生非常高的温度。
另外,还可以采用混合动力的碟式太阳能热发电系统,采用燃料和太阳能互补的形式来发电。
这种系统可以作为无电边远地区的小型电源独立运行,功率为l0~25kW,聚光镜直径约10~15m。
碟式太阳能热发电系统也可以做成较大的系统,即可以将多台装置并联起来,组成小型太阳能热发电电站,为用户提供电力需求。
图1-2碟式太阳能热发电系统
其中,各种太阳能热发电系统的运行参数、优缺点对比以及投入商业化等情况如下表所示。
表1-1各种太阳能热发电系统的运行参数、优缺点对比
1.3太阳能集热器、吸热器的定义与分类
太阳能集热器的定义是:
吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置。
这短短的定义却包含了丰富的含义:
第一:
太阳能集热器是一种装置;
第二:
太阳能集热器可以吸收太阳辐射;
第三:
太阳能能集热器可以产生热能;
第四:
太阳能集热器可以将热能传递到传热介质。
太阳能集热器虽然不是直接面向消费者的终端产品,但是太阳能集热器是组成各种太阳能热利用系统的关键部件。
无论是太阳能热水器、太阳灶、主动式太阳房、太阳能温室还是太阳能干燥、太阳能工业加热、太阳能热发电等都离不开太阳能集热器,都是以太阳能集热器作为系统的动力或者核心部件的。
太阳能集热器可以用多种方法进行分类,例如:
按传热工质的类型;
按进入采光口的太阳辐射是否改变方向;
按是否跟踪太阳;
按是否有真空空间;
按工作温度范围等。
最常见、实用的分类就是按照进入采光口的太阳辐射是否改变方向分类。
这样,太阳能集热器可分为两大类型。
1)非聚光型集热器——对应平板式吸热器。
具体的吸热器类型有管板式、翼管式、扁盒式、蛇管式等非聚光型太阳能集热器是进入采光口的太阳辐射不改变方向也不集中射到吸热体上的太阳集热器。
2)聚光型集热器——聚光型集热器是利用反射器、透镜或其他光学器件将进入采光口的太阳辐射改变方向并聚集到吸热体上的太阳能集热器。
对于聚光型集热器,以上分类还可以进一步细分。
可以有以下几种方法对其进行分类。
a)按聚光是否成像,分为:
成像集热器和非成像集热器——未讨论具体的聚焦方式,吸热器类型待定。
b)按聚焦方式,分为:
线聚焦集热器:
线聚焦集热器是使太阳能辐射汇聚到一个
平面上并形成一条焦线(或焦带)的聚光集热器——对应真空管式吸热器;
点聚焦集热器:
点聚焦集热器是使太阳辐射基本上汇聚到一个焦点(或焦斑)的聚光型集热器——对应腔式吸热器。
c)按反射器的类型,分为:
槽型抛物面集热器:
又称为抛物槽集热器,它是通过
一个具有抛物线横截面的槽型反射器来聚焦太阳辐射的线聚焦集热器——对应真空管式吸热器;
旋转抛物面集热器:
又称为抛物盘集热器,它是通过一个由抛物线旋转而成的盘形反射器来聚焦太阳辐射的点聚焦集热器。
其它聚光型集热器,常见有:
复合抛物面集热器:
又称为CPC集热器,它是利用若干块抛物面镜组成的反射器来会聚太阳辐射的非成像集热器——对应真空管式吸热器;
多反射平面集热器:
多反射平面集热器是利用许多平面反射镜片将太阳辐射聚焦到一小面积或细长带上的聚光型集热器——未讨论具体的聚焦集热方式,吸热器类型待定;
菲涅耳集热器:
菲涅耳集热器是利用菲涅耳透镜将太阳辐射聚焦到接收器上的聚光型集热器——未讨论具体的集热方式。
对集热器分类的介绍就到此为止。
鉴于本文研究内容及吸热器在集热器中的重要性,我们来重点分析一下吸热器。
如上所述,在太阳能热能转换装置中,吸热装置负责吸收太阳辐射并转化为热能,所以提高吸收器对太阳短波辐射的吸收能力以及减少吸收器和环境的散热可以有效地提高集热器、吸热器的效率。
鉴于本文中采用的吸热器是碟式双轴跟踪系统中的腔式吸热器,故本文只介绍聚光型太阳能热发电系统对应的吸热器,具体分析腔式吸热器。
目前的太阳能热发电技术主要是采用聚光型太阳能热发电技术。
聚光型太阳能热发电技术是利用各种聚光装置将低能流密度的太阳光能聚集放大,投射到吸热器上,再进行能量转换利用。
最常用的聚光型发电技术主要有三种:
抛物槽式、塔式和碟式。
其中,点聚集集热的热发电系统有塔式系统、碟式(盘式)系统。
通常采用腔式吸热器;
线聚集集热的系统有槽式系统。
通常采用直通的真空管式吸热器。
下面来详细介绍。
1)线聚焦型吸热器。
槽式太阳能热发电系统采用的是线聚焦型聚光方式。
通常采用的是真空管式吸热器。
关于真空管式吸热器,它是一种由表面镀有太阳选择性膜层的钢管及玻璃外套管组成的吸热器,钢管与套管之间为真空,以减少对流和传导热损失。
具体可见图1-3。
真空管吸热器的优点为:
吸热管中无对流损失,有选择性涂层,对阳光的吸收率很高,而其在工作温度下的发射率很低。
其缺点为:
为保持长期高真空及选择性涂层的稳定性,工艺复杂,成本高,较大的流通断面造成工作流体的雷诺数较低,即从管壁至流体的换热系数较低,加之吸热管上的热密度大,故造成管壁与工作流体的温差加大,增大了热损失。
2)点聚焦式聚光系统的吸热器
在点聚焦式太阳能热发电系统中,吸热器通常采用的是腔式结构。
未来减少热损失,腔式吸热器的侧壁一般两层材料构成的。
内壁涂有类似黑体的吸热材料,外壁是绝热材料,中间抽成真空。
作为发电系统的核心部件。
腔式吸热器的常见结构有圆柱形、平顶锥形、椭圆形、球形及复合平顶锥形等。
具体的结构可以根据设计要求选取。
腔式吸热器对应的热发电系统有塔式和碟式两种。
影响腔式吸热器性能的主要因素是它的光学效率和热效率。
腔体吸热器热损失主要有四个方面。
即:
腔体内表面对聚焦光的反射热损失、腔体内表面通过采光口的辐射损失、腔体采光口的对流热损失及腔体壁面的导热损失。
尽可能的减少这四种热损失是研制高效吸热器的关键所在。
从结构上来说,腔体开口大小、开口位置、倾斜角度以及腔体长径比等是主要影响参数。
由此可见,腔体吸收器结构变化将会改变其集热性能。
1.4太阳能热发电的主要问题及本文的研究意义
1.4.1太阳能热发电的主要问题
虽然太阳能无限丰富且可以采用不同的形式加以利用,但人类活动中,我们只是直接利用很少的太阳能,太阳能只占世界电能产量的0.015%,太阳能只占全球加热空间和水的热能总量的0.3%。
而且,太阳能转换效率低、价格昂贵,使得其利用潜力与实际利用间存在巨大的落差。
化石能源较太阳能价格低得多,能够满足我们目前的对能源的需求,且化石能源矿物相对集中,而太阳能在地球表面均匀分布、能量密度不高。
高价格和低转换率,限制了太阳能的利用,这就提出了重要的研究课题:
寻找便宜、高效的太阳能利用途径。
从性能技术方面来看,造成太阳能热发电成本高的原因主要有以下3个方面。
(1)进入大气层的太阳能能流密度低,需要大面积的光学反射装置和昂贵的接收装置将太阳能直接转换为热能,这一过程的投资成本约占整个电站投资的一半。
(2)太阳能热发电系统的发电效率低,年太阳能净发电效率不超过15%。
在相同的装机容量下,较低的发电效率需要更多的聚光集热装置,增加了投资成本。
(3)由于太阳能供应不连续、不稳定,需要在系统中增加蓄热装置,大容量的电站需要庞大的蓄热装置和管路系统,造成整个电站系统结构复杂,增加了成本。
其中,太阳能发电效率低下是问题的关键,如何提高系统中关键部件的性能,大幅度降低太阳能热发电的投资成本,快速进入商业化。
是快速推广太阳能为下一代替代能源的关键。
此外,从材料方面分析,太阳能热发电技术领域有3大材料是制约其技术进步的关键因素:
(1)中高温太阳能选择性吸热材料;
(2)高性能、低成本太阳能反射材料,太阳能聚光反射镜长期暴露在室外空气环境中,反射材料除了要求具有高的太阳光反射率外,还要具有很强的抗风沙、耐潮湿、耐腐蚀、耐磨擦等特性;
(3)高效蓄热传热、储热材料研究。
对此3种材料开展应用基础研究和关键技术攻关对推动太阳能热发电的大规模应用具有重要的战略意义。
1.4.2本文的研究内容及意义
众所周知,集热器是太阳能热发电系统的关键部件,也是太阳能热发电系统中最具技术挑战性的研究课题。
集热器的热性能的提高对提高太阳能热发电系统的发电效率有着至关重要的意义。
集热器的传热具有以下几个特点:
能量分布时间和空间的高度不均匀性、较高的工作温度、极高的热流密度、辐射传导对流相互耦合的能量传递过程等。
因此,开展对集热器的复杂多物理传递规律研究,针对组合式太阳能集热器建立描述能量传递过程的数学物理模型;
对集热器的吸热器在不同传热介质(水、空气、熔盐等)在高温高热流密度条件下的复杂耦合传热过程进行实验研究和模拟预测;
分析太阳辐射热流密度及其分布、表面的辐射及反射性能等对提高吸热器性能及太阳能热发电系统的效率是极为有意义的。
本文的主要研究对象是运用与碟式太阳能热发电系统中的碟式集热器。
主要思路是对已有的碟式集热器进行改进,以提高其热效率。
改进方案就是在已有的碟式集热器底部位置附加一个单叶双曲面体,并在焦点位置换成具有反射作用的双曲面体,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,利用双曲面结构的抽吸作用结合入射能流在吸热器投射体的表面形成一个涡环。
由于涡环具有的漩涡特性,这样就可以增强反射光线强度并延长入射能流在吸热器表面的驻留时间,甚至有可能使能量二次入射。
进而提高组合式集热器的吸热性能。
1.5本章小结
本章介绍了世界能源消费的现状以及未来的发展趋势,提出可再生能源是解决能源危机、环境污染等问题的有效途径。
作为一种发展前景广阔的可再生能源,本章总结了太阳能利用现状及常见的太阳能热发电技术基本状况和当前常用的三种集热器类型。
然后介绍了制约太阳能应用的关键问题及对原有碟式集热器的改进和利用组合式圆锥曲面提高碟式太阳能热发电系统集热器性能的研究思路及研究意义。
2聚光太阳能集热器
2.1概述
吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热工质的装置。
集热器是组成各种太阳能利用系统的关键部件,包括太阳能发电系统,太阳能空调制冷系统等。
不同的集热方法形成了不同的集热类型,本章主要针对目前出现的主要太阳能集热器进行介绍,针对聚焦式太阳能集热器进行分析,并在此基础上设计出组合式圆锥曲面集热器。
聚光太阳能集热器可以看成由光源、聚光器和接收器组成的光学系统。
光源是移动着的太阳,聚光器以反射或折射的方式把达到光孔(亦称为“开口”)上的太阳辐射集中到接收器的小面积上,接收器内的传热介质把小
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