碟式太阳能热利用系统腔式吸热器光热性能研究及优化

摘要

太阳能在利用方面具有的储量的无限性、存在的普遍性以及清洁性和经济性等特点使其成为世界上最丰富永久的能源形式。同时人们环保意识增强及对可持续发展战略重视程度的提高，洁净并可长期利用新能源已经受到全世界的关注。所以太阳能已经被广泛应用到了工业、农业、日常生活等各方面。热发电是太阳能应用的一个重要领域。 碟式太阳能热发电系统具有布局灵活、应用前景广泛、发电效率高、起步投资少、结构简单、成本降低及系统优化潜力大等一系列优点，因而成为了人们研究的焦点。吸热器是碟式太阳能热发电系统的关键部件，安置在聚光器的焦点处，接收来自聚光器的高热流密度的太阳能并将其转换成热能。吸热器的热性能直接影响整个系统的效率和经济性。
　　本文依据腔式吸热器内部光通量等分布特性研究结果，对腔式吸热器进行结构优化是提高碟式太阳能热利用转换效率的有效途径。在多种腔式吸热器类型中，其中半球形吸热器热性能最优，故在模拟和实验中均采用半球形腔式吸热器。聚光器聚焦后的能流会不均匀的分布在吸热器内腔，在吸热器内腔形成热点，影响吸热器的使用性能。基于实验室已有的半球形腔式吸热器对其进行结构优化，在吸热器的穹顶放置反射圆锥。探讨反射圆锥的锥角对半球形腔式吸热器的光学性能的影响，找出最佳反射光锥的几何参数。数值模拟结果表明反射圆锥锥角在120°时吸热器的光学性能最佳。改变吸热器的安装位置，探讨距离变化对系统的光学性能的影响。为测得焦面处的能流密度，在光学数值模拟中，将吸热器替换为圆盘，观察圆盘距聚光器距离变化，聚焦能量的接收的规律。吸热器和圆盘距聚光器距离变化规律一致，光学性能呈现两头小中间大的正态分布。数值模拟结合实验进一步对碟式太阳能热利用系统探讨。研究吸热器与聚光器距离变化的热性能及耐高温圆盘与聚光器距离变化的热性能。结果表明实际焦平面上的光斑并非是规则的圆盘形状，而是呈现近似椭圆，聚光器的实际焦距与理论焦距有一定的差距，但吸热器和耐高温圆盘得出相同的规律，在1030mm时热性能是最优的。