车载式可折叠线性菲涅尔聚光集热系统设计与研究

摘要

线性菲涅尔反射式聚光集热器在最近十年获得了各国太阳能研究机构的重视。相比于目前已经得到商业化利用的槽式集热器，线性菲涅尔反射器具有造价低、场地利用率高、反射镜风阻低、控制系统简单等优点。本文将线性菲涅尔聚光集热镜场与野战后勤车辆相结合，设计了一种车载式可折叠线性菲涅尔聚光集热系统，为野战部队后勤提供一定的热能供给。本文的主要研究内容包括:
　　1)论文提出了将线性菲涅尔聚光镜场与后勤补给车辆相结合，利用太阳能聚光装置为部队提供一定的能源补给的设计思路。为了尽可能增大镜场的聚光面积，论文完成了镜场折叠机构的设计，该折叠装置能够实现将镜场的聚光面积增大到车顶面积的两倍。论文通过理论分析与仿真相结合对聚光集热镜场中相关的传动模块以及集热器模块等进行了设计研究。
　　2)针对车载式线性菲涅尔聚光镜场的参数进行了优化设计。在分析了线性菲涅尔聚光镜场可能出现的阴影与遮挡的情况下，利用数值分析的方法，分别研究了镜元宽度、集热器高度、太阳光线的入射角度以及镜元数量对镜场聚光性能的影响。并通过matlab编写的迭代程序，对镜场参数进行了全局优化，获得镜场的优化参数大小。最后通过Tracepro光学仿真软件结合正交实验的方法，对镜场优化参数的数值优化进行了仿真验证。仿真结果与数值优化的结果一致。
　　3)文章对车载式线性菲涅尔聚光集热器进行了研究。分析了复合抛物面(CPC)二次聚光器对镜场聚光性能以及集热器表面能流密度的改善作用。并在此基础上建立了基于CPC二次聚光镜场的真空集热器的传热模型。通过计算流体动力学(CFD)仿真分析的方法，分别研究了真空集热器在密闭环境下，集热器单位长度上的热损量大小以及系统的平均效率随着工作温度的变化情况。同时还分析了真空管工质出口温度与进口温度以及工质流速之间的关系。为车载式线性菲涅尔聚光集热镜场的集热性能研究，提供了参考依据。
　　4)搭建了车载式线性菲涅尔聚光集热镜场的物理模型，并对镜场的折叠性能进行了测试。在此基础上，研究了镜场的聚光性能以及集热器的空晒性能。结果表明，车载式线性菲涅尔聚光镜场具有良好的聚光性能;利用真空管集热器进行聚光集热，系统的具有较快的温度相应，满足中温集热系统的集热性能要求。最后对系统的光热转化效率进行了测定，结果表明线性菲涅尔聚光镜场的光热转化效率达到60％左右。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题的科学意义

1．2 选题的应用前景

1．3 研究现状

1．3．1 镜场跟踪控制方式研究现状

1．3．2 镜场参数优化方法研究现状

1．3．3 镜场集热器研究现状

1．4 论文主要研究内容

2 车载式可折叠线性菲涅尔聚光镜场设计

2．1 设计任务及要求

2．2 车载式可折叠线性菲涅尔聚光镜场的总体方案设计

2．3 折叠镜场的机构设计

2．3．1 折叠机构运动分析

2．3．2 折叠机构受力分析

2．3．3 气动系统的设计

2．4 传动模块的设计

2．4．1 动力装置的设计

2．4．2 传动结构的设计

2．5 集热器模块的设计

2．6 折叠机构的动力学仿真分析

2．7 本章小结

3 车载式可折叠线性菲涅尔聚光镜场参数优化

3．1 线性菲涅尔聚光镜场的建立

3．1．1 镜场模型的建立

3．1．2 镜场参数之间的数学关系

3．2 阴影与遮挡的分析

3．2．1 阴影分析

3．2．2 遮挡分析

3．3 车载式折叠镜场参数优化

3．3．1 车载镜场物理模型

3．3．2 镜元宽度

3．3．3 镜元数

3．3．4 集热器高度以及太阳光线的入射角度

3．3．5 镜场全局变量优化

3．4 Tracepro光学仿真模拟

3．4．1 镜场光学仿真

3．4．2 正交试验

3．5 本章小结

4 线性菲涅尔集热系统集热性能研究

4．1 CPC复合抛物面聚光器

4．2 CPC聚光器数学模型分析

4．3 光学仿真分析

4．4 基于CPC二次聚光器的真空管集热模型

4．5 线性菲涅尔聚光集热器集热性能的仿真分析

4．5．1 Fluent仿真物理模型的确定

4．5．2 Fluent仿真模型参数

4．5．3 边界条件的设定

4．5．4 网格划分与求解模型

4．5．5 仿真结果分析

4．6 本章小结

5 线性菲涅尔集热系统集热性能实验研究

5．1 实验平台的搭建

5．2 聚光镜场光照强度的测定

5．3 集热器空晒性能测定

5．4 系统平均效率

5．5 本章小结

总结展望

总结

展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况

攻读硕士学位期间参加的科学研究情况