新型菲涅尔自然循环平板太阳能集热系统优化设计

摘要

能源是近代社会发展的支柱，是最基本的物质基础。随着后工业化时代的到来，太阳能作为取之不尽、用之不竭的环保新能源，将逐渐成为世界能源的主角。我国在太阳能工业应用方面起步较晚，在太阳能热利用的发展上面临无商业运作经验、投资成本大经济收益小、产品（热水）品味低等问题。线性菲涅耳平板太阳能集热系统（Linear Fresnel Reflector，LFR））使用平面反射镜，易于制造、价格低廉，与其它聚焦太阳能系统相比具有显著优势，得到了世界各国的高度重视和普遍关注。本文结合菲涅耳反射高倍聚光加热、平板结构与建筑物相融合的特点以及自然循环结构简单稳定性好的特点，设计一个典型的5kW功率新型菲涅耳自然循环平板太阳能集热系统，该系统能产生180℃左右的中高温蒸汽。
　　本文首先设计了集热系统的聚光装置，介绍了CPC（Compound Parabolic Collector，CPC）复合抛物聚光器的原理，结合5kW集热系统所选用的集热管尺寸，优化设计了CPC。基于Matlab及太阳位置变化参数，将反射镜场的布置和CPC特性结合起来，得到了镜场倾角变化规律。
　　其次，利用迭代计算得到了5kW线性菲涅耳集热系统的镜元间距。分析了镜场倾角的必要性，并针对该特性设计了调节倾角的装置。理论分析了末端损失，并对大型工业化应用中的线性菲涅耳系统降低末端损失提出了设计建议。
　　然后设计了集热系统的跟踪控制模块，并在前面工作基础上综合设计了5kW新型菲涅耳自然循环平板太阳能集热系统。同时，对集热管的热流密度和含汽率特性进行初步模拟。模拟结果表明：集热管上壁面接收的太阳辐照明显多于下壁面；在最大值上，上壁面为162kW/m而下壁面为112kW/m；CPC复合抛物聚光器对集热管均匀受热的影响非常大；管壁受热特性主要取决于热流密度。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 课题研究现状及存在的问题

1.3 本文主要研究内容

第2章 聚光装置设计及镜元倾角计算

2.1 Matlab软件

2 .2 CPC复合抛物聚光器

2.3 镜场布置

2.4 章节小结

第3章 镜元间距与镜场倾角设计

3 .1 基于Trac e pro的光学分析

3.2 镜元间距设计

3.3 末端损失

3.4 镜场倾角设计

3.5 章节小结

第4章 跟踪控制模块设计

4.1 太阳能跟踪控制系统概述

4.2 集热系统跟踪控制模块组成

4.3 集热系统跟踪控制模块硬件结构设计

4.4 集热系统跟踪控制模块软件设计

4.5 本章小结

第5章 集热系统总体设计及初步传热仿真

5.1 集热系统总体设计

5.2 集热管传热分析

5.3 章节小结

第6章 总结及展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献