基于全玻璃真空管和CPC集热器的设计及性能研究
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全玻璃真空管由两同心圆管组成,一端封闭,吸收体位于管内,而基于非成像光学原理设计的复合抛物面理想聚光器(CPC)的反射面与吸收体连在一起,因此,利用CPC对真空管聚光必须留出空隙以满足真空管的结构需要。本文以市场广泛流行的47/58管为案例,提出了六种适合于对真空管聚光的CPC设计方案,这六种方案分别是:方案1:CPC依据真空管的外管设计;方案2:依据真空管的内管设计,安装时真空管有意向上移动R-r;方案3:依据内管设计,剪去靠近内管的反射面;方案4:CPC依据冰琪琳形状的吸收体设计,实际吸收体内管;方案5:CPC依据帽形吸收体设计,实际吸收体为内管;方案6:与方案5相同,但在反射面的底部配置了V形腔。文章采用理论分析和光线追踪法对六种设计方案的空隙损失、光学效率及年采光量进行对比分析,并制作出试验样机,论文的研究目的是找出最优CPC设计方案,研发出基于全玻璃真空管和CPC的中温太阳能集热器。理论研究表明:方案6没有空隙损失,其次是方案4的空隙损失最小,方案1的空隙损失最大,因此从空隙光学损失来看,方案6最好。光线追踪研究显示,在CPC的接收半角(a)范围内,方案6的光学效率最大,方案1最差;而对于截短CPC,当入射角大于a时,方案1的光学效率最高,而方案6最差。从六种设计方案接收角范围内的平均光学效率来看,方案6最好,方案1最差;对全CPC,方案3次之,而对于截短CPC,方案4次之。在固定倾角模式下,对于全CPC,方案4的年采光量最大,方案5最差;对于截短CPC,方案2的年采光量最大,方案1最差。当集热器的倾角采用三倾角四次调整模式时,对于全CPC,方案1的年采光量最大,其次为方案4,方案5最差;对于截短的CPC,方案4年采光量最大,其次为方案3,而方案1最差。在实际应用中,CPC上端对聚光贡献不大,因此,通常采用截短的CPC,从这个角度来分析,方案4最佳。光线追踪研究还发现,当CPC的接收半角固定时,平均反射次数随着几何聚光的较少而减小;对于a=20°的CPC,当Ct=2.0时,几乎没有多次反射,而对于a=26°的CPC,当Ct=1.8时,基本无多次反射,这时可以用一次反射模型来分析聚光器的光学性能。综合六种设计方案的光学性能分析得出结论,方案4为最佳设计方案,其次为方案3,方案1最差,方案6虽然在接受角范围内有很高的光学效率,但由于剪切后有效采光范围小,且当入射角大于接收角时其光学效率低,因而其年采光量小,因而并非广泛认为的那样为最佳设计方案。但从CPC的加工的角度来看,方案4的加工难度大,灰尘容易积累在方射面的下端,且不易清洗,方案5的底部敞开,灰尘不易积累,容易清洗,在CPC的接受角范围内有很高的的光学效率,如果采用三倾角四次调整运行模式,其年采光量与方案4相差不大。为检验基于CPC和真空管集热器的热性能,依据方案5制作出一台实验样机,并在室外对其热性能进行了试验测量。实验测试时以水作为传热工质,测试结果表明:质流量为0.02kg/s、0.029kg/s、0.052kg/s、0.061kg/s、0.078kg/s时,系统的光学效率分别为0.376、0.4014、0.4344、0.4113、0.3654,质量流量在0.052kg/s时传热效果更好,效率最大;随着流量的升高,进出口温差会有所下降;对于同一天,随着试验时间的增加,进出口温差也会有所下降。系统的高温性能尚需要进一步的测试。
摘要 | 第3-5页 |
Abstract | 第5-7页 |
目录 | 第8-10页 |
第一章 绪论 | 第10-23页 |
1.1 课题背景及意义 | 第10-11页 |
1.2 太阳能利用发展现状 | 第11-13页 |
1.2.1 国内太阳能热用发展现状 | 第11-12页 |
1.2.2 国外太阳能热利用发展现状 | 第12-13页 |
1.3 棸光太阳能的研究概况 | 第13-22页 |
1.4 本文研究内容及创新点 | 第22-23页 |
第二章 全玻璃真空管 CPC 的设计方案及光学性能分析 | 第23-52页 |
2.1 概述 | 第23-24页 |
2.2 CPC 聚光器的设计原理 | 第24-29页 |
2.2.1 黑体之间的辐射换热 | 第24-26页 |
2.2.2 理想聚光器的热力学极限 | 第26-28页 |
2.2.3 CPC 聚光器的重要参数 | 第28-29页 |
2.3 全玻璃真空管 CPC 的设计 | 第29-33页 |
2.4 不同设计方案的平均光学损失 | 第33-36页 |
2.4.1 理论分析平均空隙损失 | 第33-34页 |
2.4.2 模拟分析平均空隙光学损失 | 第34-36页 |
2.5 吸收体上直射光线部分的分析 | 第36-38页 |
2.6 不同 CPC 设计方案的平均光学效率 | 第38-41页 |
2.7 平均多次反射次数的分析 | 第41-43页 |
2.8 不同 CPC 设计方案的年采光量计算 | 第43-50页 |
2.8.1 年采光量的计算 | 第43-46页 |
2.8.2 反射率ρ对年采光量的影响 | 第46-50页 |
2.9 本章小结 | 第50-52页 |
第三章 全玻璃真空管带“V”型槽 CPC 光学模拟分析与集热器系统的设计 | 第52-71页 |
3.1 概述 | 第52-53页 |
3.2 TracePro6.0 软件简介 | 第53-54页 |
3.3 全玻璃真空管带“V”型槽 CPC 的设计 | 第54-56页 |
3.4 模拟光学效率及平均多次反射分析 | 第56-58页 |
3.5 吸收体表面能流密度分析 | 第58-63页 |
3.6 年采光量的计算 | 第63-64页 |
3.7 全玻璃真空管带“V”型槽 CPC 集热器的设计 | 第64-70页 |
3.7.1 带 V 形槽 CPC 模块的设计 | 第65-66页 |
3.7.2 双通道集联箱的设计 | 第66-68页 |
3.7.3 全玻璃真空管 CPC 集热器的工作原理 | 第68-70页 |
3.8 本章小结 | 第70-71页 |
第四章 全玻璃真空管 CPC 集热器的热性能分析 | 第71-80页 |
4.1 概述 | 第71页 |
4.2 全玻璃真空管 CPC 集热器系统相关传热理论 | 第71-74页 |
4.2.1 热传导 | 第71-73页 |
4.2.2 对流换热 | 第73-74页 |
4.2.3 辐射换热 | 第74页 |
4.3 全玻璃真空管 CPC 聚光器传热模型分析 | 第74-76页 |
4.4 集热器的能量平衡分析 | 第76-79页 |
4.5 本章小结 | 第79-80页 |
第五章 全玻璃真空管帽形 CPC 集热器试验台的搭建及试验分析 | 第80-90页 |
5.1 概述 | 第80页 |
5.2 试验装置的搭建 | 第80-82页 |
5.3 试验过程 | 第82页 |
5.4 主要试验仪器 | 第82-84页 |
5.5 试验及结果分析 | 第84-89页 |
5.5.1 试验方法 | 第84-86页 |
5.5.2 瞬时效率的测试及结果分析 | 第86-89页 |
5.6 本章小结 | 第89-90页 |
第六章 结论与展望 | 第90-92页 |
6.1 结论 | 第90-91页 |
6.2 展望 | 第91-92页 |
参考文献 | 第92-97页 |
攻读硕士期间发表的论文 | 第97-98页 |
致谢 | 第98页 |
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