开口向上圆柱形腔体传热特性及其在太阳能温差发电系统中应用的研究

摘要

环境污染和能源危机已成为或将持续成为人类生存和社会发展所面临的最严峻的两个挑战。考虑到太阳能储量丰富、易获取和对环境友好等，故如何高效利用太阳能或成为应对这两个挑战的关键所在。太阳能热发电是利用太阳能的主要方式之一。腔体式吸热器（简称为腔体）在太阳能热发电中扮演着重要的角色，其传热性能直接影响整个热发电系统的效率。因此，腔体传热特性是当前太阳能领域的前沿热点课题之一。相较于常规太阳能热发电如塔式、槽式、碟式和线性菲涅尔式等，太阳能温差发电，作为一种静态热发电方式，由于其具有可靠性高、便于移动和占地面积小等优势，成为了太阳能领域的又一个前沿热点课题。
　　以开口向上圆柱形腔体为对象，本文首先基于电加热实验，实验研究了恒热流条件下腔体倾角、热流密度、壁面加热条件、开口大小、风向角和风速等对腔体传热特性的影响。为详细阐述各参数影响的物理机制以及获得高热流、高风速和背向风等情形的结果，也进行了三维数值模拟。随后，基于三维模型，研究了所有壁面恒壁温条件下开口向上圆柱形腔体的传热特性，考虑了倾角、壁温、开口大小、风向角和风速等的影响。根据模拟结果，提出一系列能反应各参数影响以及具有较高预测精度的努塞尔特数经验关联式。特别是，针对有风情形，首次提出了分区域拟合思路。最后，提出了一种新的太阳能温差发电系统（STGS），即基于菲涅尔透镜和热管原理太阳能温差发电系统（FH-STGS）。根据冷却方式，可将其分为空气冷却式FH-STGS和液体冷却式FH-STGS。通过建立理论模型，分别定量评估了陶瓷基板发射率、换热器对流换热系数、太阳能入射总量、风速、风向角、腔体倾角、环境温度以及相关几何参数如平板形温差发电模块（FTGM）电极覆盖率、FTGM电极长度、环形温差发电模块（ATGM）电极覆盖率和ATGM电极长度等的影响。在此基础上，分别确定了能同时兼顾系统性能和电极材料成本的四个几何参数的最佳范围。另外，也基于温差发电理论，对ATGM性能进行了参数分析。本文的主要结果如下：
　　（1）对于恒热流条件，实验发现，腔体底面温度分布较为均匀。对于大多数情形，离底面距离越远，腔体侧面温度越低。无风条件下，腔体平均壁温与环境温度间差值随开口减小或输入功率增大而增大，随倾角减少先下降后上升。在风的扰动下，腔体平均壁温与环境温度间差值随倾角的变化与风向角有关。风速越大，腔体平均壁温与环境温度间差值越低。模拟与实验对比发现，就腔体壁温和辐射传热强度Nur而言，两者相差较小，但就对流传热强度Nuc而言，两者差距较大。模拟显示，无风条件下，当倾角减小时，一方面，腔体自然对流传热稳定性逐渐下降，其状态会由稳态转变成非稳态；另一方面，Nuc先上升后下降，Nur先下降后上升。当开口或热流密度增大时，Nuc先增加后变化较小，Nur单调增大。然而，由于风的介入，倾角的影响会变得十分复杂，具体与风向角和风速有关；随着热流密度的增加，Nuc近乎不再改变。风速不同，风向角的影响不同。对于绝大多数工况，随着风速的增加，Nuc和Nur分别单调增加和下降。相较于其它因素，风速是影响或控制腔体传热的主导因素。
　　（2）对于所有壁面恒壁温条件，模拟显示，倾角和开口大小的影响与恒热流条件大体相似。壁温越高，腔体对流传热量越高，但Nuc越低。相较于背向风，正向风情形下风向角的影响更为复杂，具体与倾角和风速有关。与恒热流条件不同，随着风速的增加，几乎对于所有工况，Nuc先下降后上升。
　　（3）理论计算显示，ATGM基本方程形式与FTGM完全相同。环形形状因子越偏离于1，ATGM输出功越低于 FTGM。在负载匹配的条件下，ATGM效率不受环形形状因子的影响。对FH-STGS性能的评估发现，液体冷却式FH-STGS的性能随换热器对流换热系数的增大先增加后基本不变。陶瓷基板发射率越小、环境温度越低或太阳能入射总量越高，FH-STGS性能越高。但过高的太阳能入射总量会恶化FH-STGS的电效率。随着风速的增加，空气冷却式FH-STGS性能先上升后下降，而液体冷却式FH-STGS性能的变化与腔体对流传热量变化一致。相较于其它因素，风向角、腔体倾角以及环境温度（只针对于液体冷却式 FH-STGS）对FH-STGS性能影响十分有限。几何参数的影响与太阳能入射总量、风速或冷却方式等有关。对于空气冷却式FH-STGS和液体冷却式FH-STGS，FTGM电极覆盖率、FTGM电极长度、ATGM电极覆盖率和 ATGM电极长度的最佳范围分别为0.15~0.205、0.005~0.006m、0.15~0.202和0.007~0.008m以及0.05~0.1、0.006~0.007m、0.15~0.202和0.007~0.008m。与现有STGS相比，不论是效率还是输出功，FH-STGS都值得肯定，特别是液体冷却式FH-STGS，它不仅可能拥有目前为止STGS的最高输出功（可达128W），而且可以在产生电能的同时输出热能（热效率可达86％）。

目录

主要符号表

1 绪 论

1.1 太阳能热发电概况

1.2 腔体传热特性的研究现状

1.3 太阳能温差发电的研究现状

1.4 本文研究内容

2 恒热流条件下开口向上圆柱形腔体传热特性的实验研究

2.1 实验系统

2.2 实验原理

2.3 实验不确定度分析

2.4 实验复现性分析

2.5 实验结果分析与讨论1—无风情形

2.6 实验结果分析与讨论2—有风情形

2.7 小结

3 恒热流条件下开口向上圆柱形腔体传热特性的数值模拟

3.1 物理模型和相关假设

3.2 无风情形—模型选择、设置和有效性验证

3.3 无风情形—结果讨论与分析

3.4 有风情形—模型选择、设置和有效性验证

3.5 有风情形—结果讨论与分析

3.6 小结

4 所有壁面恒壁温条件下开口向上圆柱形腔体传热特性的数值模拟

4.1物理模型和相关假设

4.2 无风情形—模型选择、设置和有效性验证

4.3 无风情形—结果讨论与分析

4.4 有风情形—模型选择、设置和有效性验证

4.5 有风情形—结果讨论与分析

4.6 小结

5 FH-STGS的性能评估

5.1 FH-STGS

5.2 ATGM性能分析

5.3 FH-STGS性能评估的理论模型

5.4 结果讨论与分析

5.5 小结

6 结论与展望

6.1 本文主要创新点

6.2 主要结论

6.3 研究展望

致谢

参考文献

附录

A. 攻读博士学位期间发表的学术论文

B. 攻读博士学位期间参加的科研项目

C. 攻读博士学位期间获得的荣誉与经历