基于纳米流体的直接吸收式太阳能集热系统性能研究

论文摘要

由于纳米颗粒的存在,纳米流体体现出与基液不同的热辐射特性和传热特性,这也使得纳米流体在太阳能利用中有着良好的应用前景,成为一种新型高效的太阳辐射吸收材料。基于纳米流体的优异光谱吸收性能和热输运性能,将纳米流体用作直接吸收式太阳能集热器的吸收介质,可以提高集热器热效率,实现太阳能的高效利用。本文主要目的是通过研究纳米流体的辐射特性,对以纳米流体为工质的直接吸收式太阳能集热系统性能展开研究和评价,从而找到一种适合作工质的纳米流体来提高太阳能热利用率。本文以纳米流体的制备和稳定性为基础,研究了SiO2纳米流体、TiO2纳米流体和ZrC纳米流体的热辐射特性。研究发现SiO2、TiO2纳米流体对太阳辐射表现为选择吸收,ZrC纳米流体基本呈现全吸收特性。在此基础上,本文从实验和理论分析的角度,对基于纳米流体的直接吸收式太阳能集热系统的热性能进行了研究和分析。分别测试了纳米流体的闷晒温度和循环温升,结果发现ZrC纳米流体的闷晒温度和循环温升最高,SiO2纳米流体最低,且流体温升随流量的增大而降低。而后,本文又对基于纳米流体的直接吸收式太阳能集热器进行了理论分析,建立了传热模型,分析了太阳辐射在纳米流体中的辐射传递过程和热传递过程,通过计算得到了纳米流体的消光系数、液膜中的内热源分布、温度场分布以及系统热效率。计算结果表明,TiO2纳米流体的消光系数比SiO2纳米流体大;ZrC纳米流体作用的集热系统热效率最高,TiO2纳米流体次之,SiO2纳米流体的集热系统热效率最低。可见,ZrC纳米流体更适合作太阳辐射吸收介质,能更好地提高系统效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究目的及意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 纳米流体的制备方法
• 1.3.2 纳米流体的稳定性
• 1.3.3 纳米流体的辐射特性
• 1.3.4 纳米流体在集热器中的应用
• 1.4 课题研究内容
• 2 纳米流体制备及稳定性分析
• 2.1 引言
• 2.2 纳米流体制备
• 2.2.1 试剂及仪器
• 2.2.2 纳米流体制备过程及结果
• 2.3 纳米流体的表征
• 2.3.1 表征方法
• 2.3.2 测试结果及讨论
• 2.4 温度对纳米流体稳定性的影响
• 2.5 本章小结
• 3 纳米流体热辐射特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 辐射基本理论
• 3.2.1 单个粒子的辐射特性
• 3.2.2 粒子系的辐射特性
• 3.3 装置及测量原理
• 3.3.1 常规透射率测量装置及原理
• 3.3.2 半球透射率、反射率测量装置及原理
• 3.4 常规透射率测量结果
• 3.4.1 质量分数的影响
• 3.4.2 粒径的影响
• 3.4.3 光程的影响
• 3.5 半球透射率和半球反射率
• 3.6 本章小结
• 4 直接吸收式太阳能集热系统性能实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验系统方案
• 4.2.1 实验仪器及测量方法
• 4.2.2 实验误差分析
• 4.3 实验结果及分析
• 4.3.1 循环实验结果
• 4.3.2 闷晒实验结果
• 4.4 本章小结
• 5 直接吸收式太阳能集热系统热性能模拟计算
• 5.1 引言
• 5.2 系统数学模型
• 5.2.1 纳米流体辐射传递模型
• 5.2.2 集热器传热模型
• 5.3 模拟结果
• 5.3.1 辐射传递模型计算结果
• 5.3.2 传热模型计算结果
• 5.4 模拟值与实验值对比
• 5.4.1 辐射特性模拟值与实验值对比
• 5.4.2 热性能参数模拟值与实验值对比
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录1 技术路线图
• 附录2 程序代码
• 附录3 离散、能量方程推导
• 致谢
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果