非真空槽式集热管的热力性能研究

摘要

随着世界化石能源的日益枯竭，以及使用化石能源所造成的环境污染和生态破坏问题的凸显，世界各国日益重视太阳能、生物质能、风能等可再生能源的开发利用。
　　 太阳能热发电技术是规模化开发利用太阳能的一种方式。作为目前唯一商业化的太阳能热发电技术，槽式太阳能热发电得到了一定的推广应用。真空集热管作为槽式热发电系统的核心部件，其热力性能和可靠性直接影响到槽式太阳能热发电系统的初始投资和发电成本。真空集热管在高温下运行时，由于金属管与玻璃管线膨胀系数不一致，金属管与玻璃管在封接处不同的热形变导致不同的热应力，而且热应力随太阳辐射强度变化而变化，这容易致使封接处的密封失效，甚至导致玻璃管破裂。真空管失效和损坏是太阳能热电站经济损失的最主要因素。因此，新型金属管和玻璃管的封接技术成为国内外研究的一个热点问题。
　　 不同环境条件下槽式集热管热力性能的获得是研发新型金属管和玻璃管的封接技术的基础。为此，本课题采用理论分析和实验研究相结合的方法研究了槽式集热管的热力性能，提出了以玻璃管外壁面温度快速且准确的判别集热管真空的方法，并以复合抛物面型槽式集热器(CPC)为主体做了集热管热损失测试的实验研究，取得了如下研究结果：
　　 1．理论推导出玻璃管外壁面温度与集热管热损失的关系表达式，结合PTR70真空集热管实验拟合关联式，确定了不同风速、环境温度、太阳辐射强度以及管内循环工质温度下，PTR70真空集热管处于良好运行状态时的玻璃管外壁面温度范围，并在此基础上讨论了真空失效和玻璃管破裂分别对集热管热力性能的影响。研究发现，环境变化仅改变玻璃管外壁面温度，对集热管热损失的影响相对较小；工质温度是影响PTR70真空集热管热损失的最主要因素；真空失效导致玻璃管外壁面温度和热损失都大幅增加，当风速为2m/s时，玻璃管外壁面温度为138.65℃，和夹层真空时相比，在相同工况下，高了约100℃，热损失为1046.01W/m，近似为集热管正常运行时的7倍，夹层漏入氧气对玻璃管外壁面温度和热损失的影响略小于夹层漏入空气的情形；玻璃管破裂后，金属管直接与周围环境进行换热，相同环境条件下，热损失大约为夹层保持真空时的16倍。
　　 2．研发出了复合抛物面型槽式集热器(CPC)，并在兰州市皋兰县阳洼窑村小学做了集热管热力性能测试的实验研究，得到了不同天气情况下CPC内工质闷晒温度随时间的变化曲线，在实验期间，晴天天气情况下，管内工质温度升高7.41℃/h，多云天气情况下，管内工质温度升高4.43℃/h;利用玻璃管外壁面温度衡量热损失的方法，计算了集热管在不同时段的热损失。
　　 本课题的创新点在于：
　　 1．提出以玻璃管外壁面温度判别集热管真空的方法，揭示了夹层真空度对集热管热力性能的影响。
　　 2．实验获得了兰州地区非真空槽式集热管的热力性能。
　　 作为槽式热发电系统的核心部件，真空集热管直接影响到槽式太阳能热发电系统的初始投资和发电成本，其热力性能和可靠性主要取决于金属管与玻璃管的封接方法，而不同环境条件下槽式集热管热力性能又是研发新型金属管和玻璃管的封接技术的基础。本课题采用理论分析和实验研究相结合的方法研究了兰州地区槽式集热管的热力性能，研究结果对槽式太阳能热发电技术在我国西北地区的大面积推广应用提供了第一手数据，将为我国对槽式集热管的金属管与玻璃管的封接工艺的掌握和新方法研发提供参考。

目录

文摘

英文文摘

主要符号说明

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.1.1 能源危机与环境污染

1.1.2 太阳能的分布与热利用

1.1.3 太阳能热发电技术的进展及现状

1.2 研究现状及存在问题

1.3 国内外研究现状总结

1.4 国内外研究现状对本课题的启示

1.5 本研究的意义、内容和方法

1.5.1 本研究的意义

1.5.2 研究的方法和主要内容

第2章 集热管热力性能理论分析

2.1 太阳特征

2.2 太阳辐射模型

2.2.1 太阳入射角的计算

2.2.2 太阳辐射的计算

2.2.3 集热器接收面上太阳辐射的计算

2.3 太阳能集热管传热分析

2.3.1 金属管内工质的换热

2.3.2 金属管壁面的换热

2.3.3 金属管与玻璃管间的换热

2.3.4 玻璃管壁面的换热

2.3.5 玻璃管与环境的换热

2.3.6 玻璃管与天空的换热

2.4 环境参数对PTR70玻璃管外壁面温度的影响

2.4.1 计算模型与方法

2.4.2 计算结果与分析

2.5 集热管真空失效和损坏

2.5.1 漏入空气

2.5.2 漏入氢气

2.5.3 玻璃管破裂

2.6 本章小结

第3章 集热管热力性能实验研究

3.1 太阳能集热器测试方法概述

3.2 稳态测试方法

3.2.1 稳态测试条件

3.2.2 稳态测试热平衡数学模型

3.3 动态测试方法

3.3.1 动态测试条件

3.3.2 动态测试热平衡数学模型

3.4 实验装置概述

3.4.1 复合抛物面集热器的结构与设计

3.4.2 实验装置搭建

3.5 实验测试仪器介绍

3.5.1 风速的测量

3.5.2 温度的测量

3.5.3 太阳辐射强度的测量

3.6 集热管热力性能测试

3.6.1 工质闷晒温度测试

3.6.2 集热管热损失测试

3.7 实验结果分析与讨论

3.7.1 工质闷晒温度测试实验数据分析

3.7.2 集热管热损失测试实验数据分析

3.8 本章小结

总结与展望

课题结论

创新点

展望

参考文献

致谢

附录A 攻渎硕士学位期间发表学术论文情况

附录B 攻读学位期间申请的科创基金项目