聚光型纳米流体直接吸收式太阳能中温集热特性研究

摘要

太阳能中温集热系统应用于工业加热、驱动制冷空调和中温热发电等领域的需求巨大，替代传统化石燃料燃烧具有显著的节能环保优势。目前常规的太阳能中温集热器吸收涂层的高温耐久性差、聚光引起集热管局部受热而易发生弯曲变形损坏，导致制造和维护成本高，成为其应用的主要障碍。
　　本文提出并研究一种聚光型纳米流体直接吸收太阳能集热器(NDASC)，采用透明无涂层集热管，通过在集热流体（导热油）中添加吸热纳米颗粒，使其具有很强的太阳辐射吸收特性，用于太阳能中温集热。在对导热油/CuO纳米流体的光谱吸收特性研究基础上，探讨集热管内纳米流体直接吸收及热量传递机理，研究非均匀聚光工况下NDASC集热管内流体的温度分布与集热特性，主要工作如下:
　　(1)配制了四种不同质量分数的导热油/CuO纳米流体，理论分析结合实验测试，研究了纳米流体的全光谱辐射吸收特性，以及粘度、热导率等基础热物性;并根据太阳辐射的能量分布，计算得出了纳米流体全光谱的平均吸收系数。
　　(2)在对聚光器的光学特性、纳米流体吸热-传热过程机理分析基础上，建立了槽式聚光型NDASC的集热数学模型，并利用CFD软件对NDASC在非均匀聚光工况下的管内流体温度分布和集热性能进行了模拟，分析了添加纳米颗粒质量分数、太阳辐射强度、环境温度、集热流体入口温度等因素对集热特性的影响规律，得到了典型工况下的最佳质量分数。并且，对采用相同聚光器的NDASC和传统间接吸收太阳能集热器(IASC)进行了性能对比。结果表明:NDASC的管内纳米流体温度分布更加均匀，集热管壁面温差明显降低;并且在一定集热温度范围内，NDASC的集热效率要高于IASC。
　　(4)搭建了槽式聚光型NDASC与IASC中温集热工况下的对比实验系统，进行典型工况下的实验测试。实验结果表明:NDASC的最大瞬时集热效率达62％，集热效率随集热温度升高而降低;在124.2℃集热温度范围内，效率高于IASC，验证了NDASC中温集热的可行性。
　　(5)对复合抛物面聚光器(CPC)进行了光学特性分析，计算得到了集热管表面的辐射热流分布。在此基础上，模拟分析了CPC聚光型NDASC的内部温度分布特性和集热性能。结果表明，集热效率在入口温度低于106.7℃时优于传统IASC。

目录

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摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 直接吸收太阳能集热原理

1．3 国内外研究现状

1．3．1 纳米流体的制备

1．3．2 纳米流体的导热和对流研究

1．3．3 纳米流体的辐射特性研究

1．3．4 非聚光纳米流体直接吸收太阳能低温集热器的研究

1．3．5 聚光纳米流体直接吸收太阳能中高温集热器的研究

1．4 本文的研究内容

第二章 太阳能集热用导热油／CuO纳米流体的热物性

2．1 导热油／CuO纳米流体的制备

2．2 导热油／CuO纳米流体的基本热物性

2．2．1 导热油／CuO纳米流体的密度和比热

2．2．2 导热油／CuO纳米流体的导热系数

2．2．3 导热油／CuO纳米流体的粘度

2．3 纳米流体的辐射特性基本理论

2．4 不同质量分数纳米流体的吸收系数和消光系数的测试

2．5 纳米流体对太阳辐射的全光谱平均吸收系数

2．6 本章小结

第三章 槽式聚光型纳米流体直接吸收集热器的模拟研究

3．1 槽式聚光型纳米流体直接吸收集热器的传热数学模型

3．1．1 槽式聚光集热器集热管表面的辐射热流分布

3．1．2 集热管内纳米流体吸收太阳辐射的能量传递数学模型

3．1．3 集热管的散热损失

3．1．4 集热性能参数

3．2 集热特性的CFD模拟设定

3．2．1 模拟的基本假设

3．2．2 Fluent模拟计算网格的设置

3．2．3 集热管周向辐射热流边界条件

3．3 槽式聚光NDASC集热性能影响因素分析

3．3．1 纳米流体质量分数对NDASC集热性能的影响

3．3．2 入口温度对NDASC集热性能的影响

3．3．3 太阳辐射强度对NDASC集热性能的影响

3．3．4 环境温度对NDASC集热性能的影响

3．4 槽式聚光NDASC和IASC的集热特性对比

3．5 本章小结

第四章 槽式聚光型纳米流体直接吸收集热器的实验研究

4．1 实验系统介绍

4．1．1 集热设备

4．1．2 测量仪器

4．2 测试误差

4．2．1 实验性能参数的计算

4．2．2 实验误差分析

4．3 实验结果分析

4．3．1 实验条件

4．3．2 槽式聚光NDASC与IASC集热性能的对比

4．4 本章小结

第五章 复合抛物面聚光直接吸收集热器的性能模拟

5．1 复合抛物面聚光器的结构

5．1．1 理想复合抛物面聚光器的结构

5．1．2 实际应用中复合抛物面聚光器的结构

5．2 CPC聚光集热器集热管表面的辐射热流分布

5．2．1 光线追踪法计算流程

5．2．2 集热管上的辐射热流分布

5．3 CPC聚光NDASC的性能模拟分析

5．3．1 CPC聚光NDASC与IASC的性能对比

5．3．2 CPC聚光与槽式聚光NDASC的性能对比

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 未来研究工作展望

参考文献

硕士期间发表论文及其他成果

致谢