聚光集热器曲面弧度对光源利用效率影响的研究

总结报告负责人：张燕成员：吴会平吴晓庆指导教师：关雪梅聚光集热器曲面弧度对光源利用效率影响的研究一、项目内容随着世界化石能源的日益枯竭和化石能源造成的环境污染和生态破坏问题的凸显，世界各国日益重视太阳能、生物质能、风能等可再生能源的开发利用。太阳能热发电技术是规模化开发利用太阳能的一种方式，具有广阔的发展前景。我国发展碟式太阳热发电技术具有十分重要的战略意义，因为：1）为适应经济全球化趋势，发展适合我国国情的太阳热发电技术是必要的。太阳热发电、光伏发电和风力发电等可再生新能源技术并重、协调发展，是客观需要。2）从国际太阳能利用技术的发展趋势来看，太阳热发电技术是可再生能源技术的一个新的焦点，在抛物面聚焦式太阳能系统上有新的突破，而这类系统又适合发展中国家的经济水平。3）发展太阳热发电将带来显著的社会、经济、环境效益；将减少温室气体排放，增加高技术水平的就业机会，成为新能源的经济生长点，实现可持续发展；顺应经济飞速发展及环境生态保护的大趋势。4）我国目前尚未建设一座太阳热电站，人们对环境问题的关注和能源消耗的增加，使得太阳热发电迎来了新的商机.与槽式、塔式太阳能热发电系统相比，碟式太阳能发电系统具有结构简单、布局灵活、发电效率高、系统优化潜力和成本降低潜力大、初涉潜力大、初始投资少、应用前景广等一系列优点，因而成为了国内外研究的焦点。碟式太阳能发电系统是利用弧面反射镜，将反射阳光聚集在焦点上，放置在焦点处的太阳能接收器收集较高温度的热能，加热工质，驱动发电机组发电；或在焦点处直接放置太阳能斯特林发电装置发电。碟式太阳能发电中聚光集热器是比较重要的原件，它负责将阳光汇聚到焦点上，从而触发以后收集太阳能的后续工序，其也是太阳能热发电系统中最具技术挑战性的研究课题。集热器的热性能的提高对提高太阳能热发电系统的发电效率有着至关重要的意义。集热器的传热具有以下几个特点：能量分布时间和空间的高度不均匀性、较高的工作温度、极高的热流密度、辐射传导对流相互耦合的能量传递过程等。因此，开展对集热器的复杂多物理传递规律研究，针对组合式太阳能集热器建立描述能量传递过程的数学物理模型；对集热器的吸热器在不同传热介质（水、空气、熔盐等）在高温高热流密度条件下的复杂耦合传热过程进行实验研究和模拟预测；分析太阳辐射热流密度及其分布、表面的辐射及反射性能等对提高吸热器性能及太阳能热发电系统的效率是极为有意义的。二、创新点碟式太阳能发电系统是利用弧面反射镜，将反射阳光聚集在焦点上，放置在焦点处的太阳能接收器收集较高温度的热能，加热工质，驱动发电机组发电；或在焦点处直接放置太阳能斯特林发电装置发电。碟式太阳能发电中聚光集热器是比较重要的原件，它负责将阳光汇聚到焦点上，从而触发以后收集太阳能的后续工序。而显然，改变聚光集热器的曲面弧度提高其对阳光的汇聚能力，从而可以提高对阳光的利用效率。我们项目的特色和创新点在于改变聚光集热器上用于反射镜的曲面类型，分别进行实验，比较这几种不同聚光集热器对阳光的利用能力，从实验结果中找出最优的曲面设计。三、通过不同曲面各项损失来计算比较本项目的主要研究对象是运用与碟式太阳能热发电系统中的碟式集热器。研究碟式太阳能的聚光器的目的就是更好的提高它的聚光能力。如何提高聚光能力是一项非常复杂的项目，我们需要研究的包括聚光器的大小尺寸、曲面弧度、曲面的光洁度、曲面反光材料的选择和成本预算等都是可以影响确定最佳聚光器曲面弧度的因素。通过确定最佳曲面进而提高聚光器对光源的利用率。本项目通过改变聚光集热器上用于反射镜的曲面类型，主要对抛物面聚光集热器和双曲抛物面聚光集热器两种曲面分别进行实验计算，比较不同聚光集热器的热损失来比较出其对阳光的利用能力，从计算结果中找出最优的曲面设计。而集热器的热损失主要是聚光面光反射损失和吸热器的的各种热损失。一）聚光损失投射到聚光集热器上的太阳辐射，在聚焦过程中可以分为三类：第一，散射辐射损失；第二：光反射损失；第三：聚焦损失。下面分别讨论这三种损失。1）散射辐射损失如果某种聚光器只能利用太阳的直射辐射，即散射辐射全部损失，则能量平衡中投射到聚光器光孔上的太阳辐射应当是bbRG，其中bG是直射太阳辐照度，bR为倾斜面上和水平面上直射太阳辐照度得比值。然而，采光角较大的聚光集热器仍可吸收其中相当一部分辐射散射。若假定在聚光器光孔上的散射辐射是各向同性的，则投射到聚光器光孔上的散射辐射中至少有1/C可以到达接收器。2）光反射损失光反射损失的大小常用镜反射比来评定。定义为：投射到反射面面上的平行光符合反射角等于投射角的百分数。它是表面性质及表面光滑度的函数。当接收器具有透明盖层时，透明盖层的影响可以用透射比来考虑，。接收器表面的性能也可以用吸收比表示。当使用空腔形接收器时，可接近于1，与都和太阳辐射对于透明盖层与接收器的平均投射角有关。反射光束对于接收器的投射角取决于光束在镜面上反射点的位置和接收器的形状。乘积的值必定是通过透明盖层和镜面各点反射到接收器上的辐射作用积分求得的平均值。3）聚焦损失由镜面反射的辐射通常会有一部分不能投到接收器上，特别是当镜面和接收器配合不当时。这种反射损失的大小可以采用采集因子表示。采集因子表示镜面反射的辐射落到接收器上的百分数。当聚光器的光学性能一定时，增大接收器的尺寸可以减小光学损失，但要引起热损失的增大，反之亦然。因此接收器的尺寸应以热损失和光学损失总和减至最少为适当。二）吸热器的各类热损失a)腔体内表面对聚焦光的反射损失：设腔式吸热器内腔表面积为wA，吸热器采光口面积为1A。由文献[9]可给出有效吸收率为:式中，——腔体壁面材料对太阳辐射的吸收系数反射率cov所以，反射热损失：由以上公式可以看出，由于腔体内壁面对提太阳辐射的吸收系数一般为常数，所以材料吸热器表面积、采光口面积确定时，吸热器的反射热损失一般确定。且只有开口面积等于腔体内壁表面积时，反射热损失最大。文献[7]中，以wa为0.85为例，腔体对入射光的反射损失大约为0.15。同时，可以看出腔体反射率与吸热器的结构参数和腔体内壁的吸热涂料有密切的关系，是吸热器的固有属性。一般不会因其它的参数而改变。b)腔体的辐射热损失辐射热损失来自于腔体内表面和环境间的辐射换热与太阳光反射后溢出采光口部分太阳能。文献[7]有计算腔体内表面与环境间的辐射换热公式。由于腔式吸热器与环境相比无穷小,由简化计算可得出腔体与环境的辐射换热关系式为：式中，——斯忒藩—玻耳兹曼常数（8245.6710/WmK）ap——腔体的有效发射率wT——腔体内壁的平均温度1T——环境温度c)腔体的对流热损失吸热器的对流热损失包括腔内温度和环境温度差带来的自然对流，以及环境cov11(1)(1/)(1)(1/)()radapwsPTTA11(1)(1/)wapwwAA1/30.182.470.088()(cos)()apswLadTNuGrTLcov1[1]1(1)(1)wreapapwwaPPPAaA风引起的强迫对流。对流热损失随腔体形状、开口方向、腔的倾角、腔体内部温度以及环境空气温度、风向、风速等而变化，因此很难分析腔体的对流热损失。为简化计算，本文计算中只考虑自然对流情况。计算腔式吸热器自然对流损失的模型有很多，给出的模型中吸热器形状和平顶锥形类似，因此采用此模型计算。式中，1.120.98/apsdLNu——Nusselt数；——腔体轴的倾斜角；aT——环境空气温度L——腔内平均温度；LGr——格拉晓夫数；apd——腔式吸热器采光口直径由上式可得腔体的对流热损失为：当=0时，Nu将增大到0Nu，2.470cosNuNu。当角度增大时，自然对流将减小。但对双轴跟踪聚光器，其倾角等于太阳高度角只随季节而变。d)腔体的导热损失假设wT和aT已知，0A为吸热器外表面积，wA为吸热器内腔面积，t为腔体壁厚，为腔体的导热系数。则腔体壁面的导热热损失可由下式计算：空腔外表面积的自然对流换热系数cavh采用文献[12]中的经验公式进行计算。此外吸热器在反射镜上的投影会减少进入吸热器的反射光，因此，需优化腔体保温材料厚度通过对不同热损失的计算可得数据：两种曲面总热损失值3Dm5Dm10Dm抛物面吸热器1102W2782.01W11027.63W组合式吸热器1222.93W3023.12W12615.95W分析吸热器的热损失数据，从表中可以清晰的看出，抛物面聚光集热器的吸热器其工作热性能明显优于双曲抛物面聚光集热器的吸热器。故，抛物面聚光集热器对光源利用效率要高于双曲抛物面聚光集热器的三、对两种集热器性能的模拟计算对性能的模拟计算是为上述的计算、估算的数据而设计的一个模拟计算。首先，焦距f、反射体直径等相关参数的设计、确定。并提出了反射体采用双曲抛物面的设计方法。由以上的数据基本可以确定集热、吸热系统的结构。在此基础1/30.182.4711()0.088()(cos)()()()apswconvapwaLwaadTPhTTAGrTTATLL001()/()condwacavwtPTTAhAA1/30.182.470.088()(cos)()apswLadTNuGrTL上，参考相关文献有关太阳辐射的相关知识，本文分析了D=5cm时，集热器、吸热器在各种情况形式下的效率进行了初步估算。在辐射峰值情况下和一般辐射情况下分别对两种曲面的集热器效率、吸热器效率进行计算对比，通过计算数据：辐射峰值下，5Dm时各种情况下集热器、吸热器效率类型抛物面吸热器结构双曲抛物面吸热器集热器效率0.8080.740吸热器效率0.8600.838一般辐射情况下，5Dm时各种情况下集热器、吸热器效率类型抛物面吸热器结构双曲抛物面吸热器集热器效率0.7520.679吸热器效率0.7990.768由以上数据可得。抛物面聚光集热器效率和吸热效率要高于双曲抛物面集热器效率和双曲抛物面效率。四总结及展望经过理论计算我们确定出抛物面聚光集热器对光源的利用效率要高于双曲抛物面对光源的利用效率，但这个项目是一探索性试验项目，在我们理论计算时，虽采用的是控制变量法计算，但在考虑吸热器能量几种损失时，由于相关的参考文献较少。故只能初步估算。对于一些系数的选取存在一些误差，而且只是一些理论的计算，需要大量的实验去验证。其次，本文是为了考虑单变量原则，对吸热器的其他参数未作改动。实际上，吸热器内壁材料的辐射吸热器率仅为0.85是较小的，实际中完全可以到达0.9-0.95左右。这样作的结果肯定会提高吸热器的整体吸热效率，从而提高太阳能光热发电系统的发电效率。第三，双曲面抛物面集热器中可能还会存在一些涡流现象，在此，我们并未去考虑，如果有涡流会对吸热器热损失有怎样的影响，这些都需要我们进行进一步的探索。以上的分析中也有提到，本文是一种探索性的研究。考率的是光和气体两相的混合流体的作用。所以，进一步的研究需要进行实验来获取相关的可靠数据。在已有的相关理论分析的基础上，配合精确的实验数据，一定会得到很大的突破。同时，进行类比实验后，也可以获得集热器吸热效率的理论最大值。限于时间关系，本文只能做的这一步，后续进一步的工作就需要以大量实验来研究探索。