高温太阳能吸收器的优化设计

论文摘要

吸收器是太阳能热发电系统中的核心部件,负责光热转换,其性能好坏对于系统温度的提升,效率的提高都有着重要的作用。通过对目前比较常用几种太阳能吸收器如直管式吸收器、螺旋管式吸收器、空腔式吸收器进行比较,发现直管式吸收器和螺旋管式吸收器结构简单,系统能够达到的温度在900K左右,热效率为52%;而空腔式吸收器工质的出口温度可达到1500K左右,热效率为80%,具有较好的吸热性能。考虑到空腔式吸收器中针状放射形吸收体加工和安装问题,本文首先提出了一种新型的吸收体结构-绕花丝多孔体结构,它利用多孔介质的弥散效应,迫使流过绕花丝多孔体的流体作复杂的三维运动,使流体分子团在径向充分混掺,从而使径向温度分布均匀平坦化,使腔体内换热得到显著的增强。研究结果表明,和针状放射形吸收体相比,绕花丝多孔体结构可以达到良好的强化换热的效果,系统效率为81.8%。多孔率对流体的出口温度、壁面温度和热效率均有很大影响,计算结果表明0.75的多孔率可以较好满足要求。其次,针对高温吸收器的热防护问题,研究了安装吸收涂层、真空腔和保温层进行减小热损失的效果。结果表明,对于真空腔内壁面而言,选取具有耐高温能力的的金属箔涂层材料可以有效提高吸收效率;而选取国内外普遍认可的具有较高热力学性能的的有机硅涂层材料可以有效降低外壁面温度。此外,真空腔的添加对降低壁面温度效果明显,系统的效率能提高1%。最后,对吸收器的几何尺寸进行优化设计,研究了腔体入口直径、长径比、腔体直径、倾斜角度的大小对腔体内部温度场、速度场、压力和光照强度等分布的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 太阳能发电概述
• 1.3 吸收器
• 1.4 国内外吸收器研究现状
• 1.4.1 国内研究
• 1.4.2 国外研究
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第二章 管式吸收器模拟
• 2.1 引言
• 2.2 聚光镜模拟
• 2.3 吸收器模拟
• 2.3.1 数学方程
• 2.3.2 辐射模型的选择
• 2.3.3 太阳加载模型的选择
• 2.3.4 边界条件
• 2.4 模拟结果及比较
• 2.5 本章小结
• 第三章 不同参数对直管式吸收器的影响
• 3.1 进出口位置的影响
• 3.1.1 进口位置不变，出口位置改变
• 3.1.2 进出口位置均改变
• 3.2 能流强度的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 空腔式吸收器模拟
• 4.1 引言
• 4.2 模型改进
• 4.3 吸收器热力学计算
• 4.3.1 进入腔体内部能量
• 4.3.2 腔体壁面温度计算
• 4.3.3 气体出口温度计算
• 4.3.4 效率计算
• 4.4 数值模拟研究
• 4.4.1 多孔介质模型的选择
• 4.4.2 边界条件
• 4.4.3 网格划分
• 4.4.4 模拟结果及比较
• 4.5 本章小结
• 第五章 几何参数对改进后空腔式吸收器热性能的影响
• 5.1 多孔率的影响
• 5.2 热控涂层的影响
• 5.3 真空腔和保温层的影响
• 5.4 入口直径的影响
• 5.5 腔体直径的影响
• 5.6 无量纲参数比
• 5.6.1 相同长径比
• 5.6.2 不同长径比
• 5.6.3 不同入口直径
• 5.6.4 不同倾斜角度
• 5.7 吸收器张角对光照强度的影响
• 5.8 吸收器半径对光照强度的影响
• 5.9 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文