多孔介质对太阳池性能影响的研究

论文摘要

随着人口的增长和工农业的迅速发展,在能源短缺的今天,可再生能源的开发和利用步伐明显加快。储量丰富、清洁持久的新能源——太阳能是很理想的能源之一。盐梯度太阳池是集太阳能的收集和储存于一体的太阳能利用装置,具有结构简单、造价低廉等优点。目前,太阳池是国际国内的热点研究课题之一本文以盐梯度太阳池为研究对象,利用实验测量、数值模拟和理论分析相结合的方法进行了多孔介质对太阳池性能影响的研究。论文主要包括以下两部分的内容,一是利用实验测量和数值模拟的方法研究了多孔介质的有效导热系数,为研究多孔介质对太阳池性能的影响作了准备工作；二是利用实验室实验、建在海边的实验太阳池的实验及数值模拟的方法研究了多孔介质对太阳池性能的影响。进行多孔介质对太阳池热性能影响研究过程中,需要用到多孔介质与浓盐水混合物的有效导热系数,考虑到现有的测量固体和液体导热系数的装置不适宜测量炉渣、卵石与盐水混合物的导热系数,本文自行建造了实验台,利用半无限大物体的导热原理,测量了炉渣、卵石与水、浓盐水混合物的导热系数。本文将分形技术与孔道网络模型相结合,描述了满足分形幂率关系的多孔介质的结构,利用二维、稳态、无内热源导热微分方程模拟计算了多孔介质的导热系数。模拟计算值与实验值的比较结果表明本文的分形孔道网络模型适用于计算多孔介质的有效导热系数。由于颗粒状多孔介质的孔隙尺寸不满足分形幂率关系,本文利用圆柱体代表颗粒状多孔介质内的颗粒,模拟计算了颗粒状多孔介质的有效导热系数,模拟计算值与实验值进行了比较,结果表明本文圆柱模型适用于计算颗粒状多孔介质的有效导热系数。为了研究多孔介质对太阳池热盐扩散的影响,本文设计了实验室实验。测量了有无多孔介质装置的温度分布,计算了冷却水从底部带走的热量等,研究结果表明多孔介质可以起到隔热保温作用。在实验容器中灌注了几层不同盐度的盐水,通过测量各点的盐度,研究了多孔介质对盐扩散的影响,研究结果表明多孔介质可以抑制盐向上扩散,有利于维持较大的盐梯度。本文在海边沙滩建造了两个结构相同的小型太阳池,采光面积为2.5×2.5m2,水深为1.0m,研究了多孔介质对太阳池性能的影响。比较了有无多孔介质太阳池的温度、盐度和浊度,计算了太阳池的储热量、盐梯度和稳定性系数等,研究结果表明多孔介质有利于提高太阳池下对流层(LCZ)的温度和储热量；还有利于维持较大的盐梯度和稳定性系数,有利于太阳池的稳定运行。通过测量池水浊度,研究了多孔介质对补充浓盐水过程中池水浊度增加的抑制作用,研究结果表明多孔介质的存在有利于补盐的操作。鉴于实验研究耗时耗资,而且有些实验条件不易实现,本文利用数值模拟的方法研究了多孔介质对太阳池传热传质的影响。由于多孔介质层孔隙曲折,所以多孔介质层不易出现对流。太阳池增加了多孔介质层以后,传统的三层模型即上对流层(UCZ)、非对流层(NCZ)和LCZ已不再适用,应该用增加了多孔介质层的四层模型,即UCZ、NCZ、LCZ和非对流多孔介质层来代替原来的模型。用本文实验池的数据校核了数值模型,模拟计算结果与实验值吻合较好。利用北京地区多年气象数据的平均值,研究了不同土壤条件下,多孔介质加设于太阳池内部时,多孔介质的厚度、孔隙率等对LCZ温度、储热量及提热率等热性能的影响。研究结果表明只有在土壤导热系数较大时,加设多孔介质才有意义,在土壤导热系数较小时加设多孔介质并不能改进太阳池的热性能。模拟计算还表明随着炉渣层厚度的增加,太阳池LCZ最高温度不断增加,而太阳池储热量先增后减,存在一个极大值,因此设置炉渣层的厚度需要同时考虑LCZ最高温度和储热量两个方面。本文还研究了多孔介质孔隙率对太阳池性能的影响,其影响随着固相与液相导热系数比值的不同而不同。由于多孔介质种类繁多,物性参数各异,本文研究了加入太阳池后能起到隔热保温作用的多孔介质的可选范围,结果表明多孔介质的可选范围较宽。本文还研究了多孔介质加设于太阳池外形成的非饱和含湿多孔介质对太阳池性能的影响,结果表明非饱和含湿多孔介质有利于LCZ温度的升高和储热量的增大,但是随着液相体积百分比的增大,LCZ温度和太阳池储热量降低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 太阳池
• 1.2.1 盐梯度太阳池的工作原理
• 1.2.2 盐梯度太阳池的应用
• 1.3 盐梯度太阳池的国外研究进展
• 1.3.1 国外实验研究进展
• 1.3.2 国外理论研究进展
• 1.4 盐梯度太阳池的国内研究进展
• 1.4.1 国内实验研究进展
• 1.4.2 国内理论研究进展
• 1.5 多孔介质导热系数的确定
• 1.5.1 多孔介质有效导热系数的实验研究进展
• 1.5.2 多孔介质的有效导热系数理论研究进展
• 1.6 本文的研究内容
• 2 多孔介质有效导热系数的实验研究
• 2.1 测量多孔介质有效导热系数的实验装置
• 2.2 半无限大物体导热
• 2.3 测量淡水及不同盐度盐水的热扩散率和导热系数
• 2.3.1 淡水实验的温度分布
• 2.3.2 导热系数测量的误差
• 2.3.3 导热系数测量的不确定度
• 2.4 测量多孔介质与水、盐水混合物的导热系数
• 2.5 本章结论
• 3 多孔介质有效导热系数的模拟研究
• 3.1 分形多孔介质有效导热系数
• 3.1.1 分形孔道网络模型
• 3.1.2 网格划分
• 3.1.3 有效导热系数的数值模型
• 3.1.4 控制方程离散化
• 3.1.5 多孔介质有效导热系数的确定
• 3.1.6 炉渣的结构模型
• 3.1.7 炉渣有效导热系数的计算结果
• 3.1.8 有效导热系数的影响因素分析
• 3.2 颗粒状多孔介质有效导热系数
• 3.2.1 颗粒状多孔介质模型
• 3.2.2 卵石与水、盐水混合物的有效导热系数模拟计算
• 3.2.3 颗粒状多孔介质有效导热系数实验值与模拟值比较
• 3.2.4 饱和度对颗粒状多孔介质有效导热系数的影响
• 3.3 本章结论
• 4 多孔介质对太阳池内传热传质影响的实验室实验研究
• 4.1 多孔介质对太阳池传热影响的实验室研究
• 4.1.1 实验装置
• 4.1.2 有多孔介质与无多孔介质的温度比较
• 4.1.3 有多孔介质与无多孔介质的热量比较
• 4.1.4 不同多孔介质的比较
• 4.2 多孔介质对太阳池盐扩散影响的实验室研究
• 4.2.1 不同材质多孔介质的情况
• 4.2.2 相同材质不同粒度多孔介质的情况
• 4.3 多孔介质对浊度影响的实验室研究
• 4.4 本章结论
• 5 多孔介质对太阳池性能影响的实验研究
• 5.1 建在海边的实验太阳池
• 5.2 实验期间的大气温度及太阳辐照度
• 5.3 太阳池的温度和盐度分析
• 5.3.1 建在海边的实验太阳池的温度分布
• 5.3.2 建在海边的实验太阳池的盐度分析
• 5.4 建在海边的太阳池的储热量分析
• 5.5 多孔介质层对太阳池浊度的影响
• 5.6 多孔介质层对太阳池稳定性的影响
• 5.7 本章结论
• 6 多孔介质对太阳池性能影响的模拟研究
• 6.1 太阳池的质量传输模型
• 6.2 模拟值与实验室实验数据比较
• 6.3 太阳池的传热模型
• 6.4 太阳池内盐度分布和温度分布的模拟值与实验值比较
• 6.5 多孔介质加设于池内对太阳池性能的影响
• 6.5.1 多孔介质对太阳池温度的影响
• 6.5.2 不同土壤条件下多孔介质层对太阳池性能的影响
• 6.5.3 多孔介质层厚度对太阳池温度和储热量的影响
• 6.5.4 多孔介质层厚度对太阳池提热率的影响
• 6.5.5 多孔介质孔隙率对太阳池性能的影响
• 6.5.6 多孔介质可选范围研究
• 6.6 多孔介质设于池外的影响
• 6.6.1 非饱和含湿多孔介质的有效导热系数
• 6.6.2 非饱和含湿多孔介质的热容
• 6.6.3 湿空气的密度
• 6.6.4 湿空气的比热
• 6.6.5 湿空气的导热系数
• 6.6.6 多孔介质用于池外的计算模型
• 6.6.7 多孔介质用于池外的温度分析
• 6.6.8 多孔介质用于池外的储热量分析
• 6.6.9 液相体积百分比对太阳池性能的影响
• 6.7 本章结论
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 作者简介