不同误差下槽式太阳能吸热管热特性与热应力研究

摘要

能源是人类社会发展的基石，近些年来，随着化石能源的急剧消耗和全球温室效应的加剧，人类急切地需要寻找一种可再生的清洁能源作来替代化石能源。在所有的清洁能源中，太阳能作为一种储量丰富、环境友好的能源受到了广泛的青睐。目前在太阳能热发电技术中，槽式太阳能热发电系统市场占有率最高，本文选取槽式太阳能集热器作为研究对象，探究不同误差下槽式太阳能集热器的热性能、形变以及热应力变化规律，为工程实际运行提供一定的理论指导。　　槽式太阳能集热器在实际运行过程中存在聚光镜外形误差（δsl）、跟踪误差（δtr）和安装误差（δx和δy），并且一般是两种或多种同时存在。本文基于光-热-力的耦合方法，首先利用蒙特卡洛射线跟踪法（MCRT）模拟了在不同误差下吸热管外表面的热流密度分布，通过UDF编程手段将之作为体积热源耦合到有限体积法（FVM）中，从而模拟出不同误差下吸热管表面温度分布、热效率和热损失的变化规律；最后将FVM的结果通过Workbench平台导入到有限元元法（FEM）中进行形变与热应力分析，探究其随误差的变化规律。研究结果表明：　　吸热管外表面温度分布变化与热流密度分布一致，跟踪误差δtr和x方向安装误差δx使热流和温度分布变得不对称。当δsl为0mrad时，增大δtr与δx会增加吸热管表面最大热流密度和最大温度，当δsl较大时，增大δtr与δx会使吸热管表面温度分布更加均匀，最大热流密度和最高温度随之降低；当δy从0mm变化到15mm时，最大热流密度和最高温度逐渐变大，且δsl越小，升高越快；δtr为6mrad时，当δx与δtr符号相同时，最大热流密度和最高温度随着δx的增加而升高。　　当聚光镜外形误差δsl不同时，跟踪误差δtr和安装误差对吸热管周向温差?T的影响有所不同。当δsl为0mrad时，δtr从0mrad增加到9mrad时，?T会迅速增加，当δsl＞3mrad时，δtr的增加不会引起?T的增加；当吸热管从焦线下方向焦线上方移动时，?T随之增加，且通常δsl越小，?T升高的越快；当δsl＞4mrad时，δx的增加不会引起?T明显升高。　　在本文所研究的误差范围内，热损失Qloss和集热管热效率ηr的变化很小，太阳辐射强度DNI对ηr的影响较大；在δsl和δtr都为0mrad的情况下，δx、δy对集热器效率ηc的影响很小；当δsl＞0mrad且δtr为0mrad时，δx和δy会降低ηc；当δx和δtr符号相同时能够降低光学损失，使ηc升高。　　δsl、DNI和δy对吸热管挠度变化影响最大。当正方向δy增加时，吸热管挠度会显著增加，δsl越小，增加的越快。δtr和δx的增加对吸热管挠度的增加没有较大影响，但是δtr和δx会改变吸热管的弯曲方向，在实际情况中应该加以注意。此外，正方向δy会极大的增加吸热管挠度，为安全运行，应将其控制在较小的范围内。　　δtr和δx会使吸热管的等效应力分布变得不对称，当δsl为0mrad时，随着δtr和δx分别从0mrad变为9mrad和0mm到25m，σequ,max迅速升高。σequ,max随着DNI的增加而快速上升。当δsl＞3mrad时，σequ,max随着δtr的增加而单调下降。当δsl＞4mrad时，δx对σequ,max的影响很小。当δy从0mm增加到15mm时，σequ,max单调增加。

目录

主要符号表

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 槽式太阳能集热器光学特性研究现状

1.2.2 槽式太阳能集热器热性能研究现状

1.2.3 槽式太阳能集热器热应力研究现状

1.3 本文研究目的及内容

2 物理及数学模型

2.1 物理模型

2.2 数学模型

2.2.1 光学模型

2.2.2 吸热管内流动与传热模型

2.2.3 热应力模型

2.3 模型验证

2.3.1 光学模型验证

2.3.2 流动与传热模型验证

2.3.3 吸热管形变验证

3 不同误差下集热器热性能分析

3.1 集热器热效率计算公式

3.2 聚光镜外形误差和跟踪误差的影响

3.3聚光镜外形误差和垂直安装误差的影响

3.4聚光镜外形误差和水平安装误差的影响

3.5跟踪误差和水平安装误差的影响

3.6本章小结

4 不同误差下吸热管形变与热应力分析

4.1.1 吸热管挠度变化

4.1.2 吸热管热应力变化

4.2.1 吸热管挠度变化

4.2.2 吸热管热应力变化

4.3.1 吸热管挠度变化

4.3.2 吸热管热应力变化

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目

C 学位论文数据集

致谢