新型复合抛物面内聚光热管式真空集热管的性能研究

摘要

太阳能中温热利用具有广阔的发展前景，利用复合抛物面聚光器(CPC)的集热器可以在无跟踪系统的情况下实现中温集热，成为了各国开发和研究的热点。本文是在对CPC曲线进行一定分析的基础上，设计了CPC内聚光热管式真空集热管。针对所设计的集热管进行了光学性能分析、热学性能分析和实验研究。本文的主要研究内容和结论如下:
　　 1)建立了晴天太阳辐射强度的计算模型。计算分析不同接受面上可以接收的直射和散射辐射强度。不同接受面上的的散射辐射强度在一天中是在100W/m2上下浮动。
　　 2)针对在CPC曲线进行研究的基础上设计了集热管。在建立直射光分解模型的基础上借助光学分析软件模拟了集热管在不同径向入射角和轴向入射角下的光学效率，并分析研究了在不同轴向入射角下接受体上的能流密度分布。模拟得出散射光的光学效率为0.46637。
　　 3)本文从热力学第一、二定律出发建立了集热管的热力学理论模型。建立集热管的能量平衡模型和能量的品质模型，对集热管的稳态传热进行了分析研究。借助模型通过MATLAB的optimization工具箱计算了集热管的进出口温差、热效率、总热损系数和(炯)效率，进而寻求主要的影响因素。得出的结论为:太阳辐射强度是集热管热性能的主要影响因素;室外的平均风速对集热管的热性能几乎没有影响;流体进口温度和流量也是影响集热管热性能参数的重要因素。
　　 4)搭建集热管室外动态热性能的实验台，通过实验研究集热管的性能。室外闷晒实验的结论:测试时间内最高水温为91.5℃，水温在80℃以上的运行时间近3个小时。室外动态的测试结果为:集热管的最高瞬时效率为50.4％，最高(炯)效率为4.5％。说明所设计的集热管是可以满足中温需要的。

目录

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摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 能源危机和环境问题

1．1．2 太阳能热利用现状

1．1．3 太阳能集热器

1．2 国内外研究现状

1．3 本文研究的主要内容与方法

第二章 太阳能辐射基础理论

2．1 太阳的几何学

2．1．1 太阳角

2．1．2 集热器角度

2．1．3 太阳光入射角

2．2 太阳的辐射模型

2．2．1 太阳辐射的相关量

2．2．2 地表水平面上瞬时太阳辐射强度

2．2．3 地表倾斜面上瞬时太阳辐射强度

2．3 南京地区太阳辐射强度计算分析

2．4 小结

第三章 新V型CPC集热管的结构及光学性能研究

3．1 新V型CPC集热器的设计

3．1．1 CPC曲线研究

3．1．2 新V型热管式真空集热管的基本结构

3．1．3 玻璃管封接

3．1．4 选择性吸收涂层

3．1．5 真空度

3．2 新V型CPC集热器光学性能的研究

3．2．1 TracePro软件简介

3．2．2 Monte Carlo光学追迹法原理

3．2．3 新V型CPC的光学分析

3．3 小结

第四章 新V型CPC集热器热学性能研究

4．1 集热管的能量分析模型

4．1．1 能量流动子模型

4．1．2 集热管热性能分析

4．2 集热管(火用)分析模型

4．2．1 有效太阳(火用)值

4．2．2 CPC集热管(火用)分析模型

4．2．3 CPC集热管(火用)效率和(火用)损率

4．3 模拟计算

4．3．1 辐射强度和环境温度对热性能的影响

4．3．2 环境风速对热性能影响

4．3．3 进口温差对热性能的影响

4．3．4 流量对性能的影响

4．4 小结

第五章 室外动态实验及结果分析

5．1 集热管室外动态实验

5．1．1 实验的条件

5．1．2 实验平台

5．1．3 实验测试仪器与数据采集

5．1．4 实验的操作过程

5．2 室外动态实验结果及分析

5．2．1 室外闷晒实验

5．2．2 多云室外动态实验

5．2．3 晴天室外动态实验

5．3 小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间所取得的研究成果