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蛇形复合抛物面太阳能集热器的性能研究

作　者: 张晓伟
导　师: 由世俊
学　校: 天津大学
专　业: 热能工程
关键词: 蛇形复合抛物面太阳能集热器 数学模型 真空玻璃盖板 瞬时效率 热损系数
分类号: TK513
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源,有着广泛的应用前景。太阳能集热器作为太阳能热利用系统的关键部件,其性能直接影响收集到的太阳能的质量。本文对目前的能源现状作了简要概括,并对集热器的发展趋势进行了分析,在此基础上提出了本文的研究课题,并在本课题组提出的蛇形复合抛物面(Serpentine Compound Parabolic Concentrator,简称SCPC)集热器的基础上,对其结构进行改进。蛇形复合抛物面集热器最大的特点是它是结合普通复合抛物面聚光(Compound Parabolic Concentrator,简称CPC)集热器和平板式集热器的优点设计而成。与CPC集热器相比,蛇形复合抛物面集热器的特别之处在于接收器按照蛇形布置,集热器组成模块式结构。本文首先分析了蛇形复合抛物面集热器的工作原理,给出了集热器的参数方程,对集热器的结构进行了设计。构建了集热器对太阳辐射的吸收模型以及传热模型,使用Matlab软件对模型进行求解,对其性能及传热规律进行了理论分析。其次,设计了蛇形复合抛物面集热器的实验样机,搭建了实验系统,依据国家有关集热器测试规范设计了实验内容,进行了实验测试,验证了数学模型的准确性与可靠性;实验结果表明蛇形复合抛物面集热器具有较高的集热效率。同时进行了瞬时效率实验,将实验数据用最小二乘法拟合得到瞬时效率的拟合曲线,得出该集热器的热损系数。在此基础上,本文对蛇形复合抛物面集热器进行了数值模拟计算,研究了接收器管长、管径、复合抛物槽开口宽度等参数对蛇形复合抛物面太阳能集热器集热性能的影响,为蛇形复合抛物面太阳能集热器的优化设计、参数匹配等方面提供技术储备和理论支持。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章 绪论  7-17
  1.1 太阳能的利用现状  7-8
  1.2 太阳能集热器的研究现状及发展趋势  8-14
  1.3 存在的问题  14-15
  1.4 主要研究内容及方法  15
  1.5 本论文架构  15-17
第二章 蛇形复合抛物面集热器的设计  17-24
  2.1 复合抛物面聚光器的工作原理  17-19
  2.2 聚光器的设计  19-21
  2.3 接收器的设计  21
  2.4 集热器的整体结构设计  21-23
  2.5 本章小结  23-24
第三章 数学模型的建立  24-40
  3.1 太阳辐射基本概念及基本理论  24-32
    3.1.1 相关角度定义  24-27
    3.1.2 太阳辐射计算  27-30
    3.1.3 天津地区太阳辐射强度计算  30-32
  3.2 集热过程的描述  32-33
  3.3 控制方程组  33-38
    3.3.1 i 节点真空玻璃外盖板的能量平衡方程  33-35
    3.3.2 i 节点真空玻璃内盖板的能量平衡方程  35-36
    3.3.3 i 节点圆管接收器的能量平衡方程  36-37
    3.3.4 i 节点传热介质（通常为水）的能量平衡方程  37-38
  3.4 单值性条件  38-39
  3.5 本章小结  39-40
第四章 蛇形复合抛物面集热器的实验研究及数学模型验证  40-59
  4.1 蛇形复合抛物面集热器的实验装置  40-42
  4.2 实验用主要仪表  42-46
  4.3 实验与模拟结果对比及分析  46-55
    4.3.1 实验过程  46-47
    4.3.2 流体进口温度为50.0℃时集热器的性能分析  47-50
    4.3.3 流体进口温度为59.0℃时集热器的性能分析  50-52
    4.3.4 流体进口温度为67.0℃~69.0℃时集热器的性能分析  52-55
  4.4 室外稳态实验  55-58
    4.4.1 瞬时效率方程  55-56
    4.4.2 归一化温差  56
    4.4.3 瞬时效率曲线  56
    4.4.4 实验程序  56-57
    4.4.5 瞬时效率数据  57-58
  4.5 本章小结  58-59
第五章 蛇形复合抛物面集热器的数值模拟研究  59-66
  5.1 管长对集热器性能的影响  59-60
  5.2 接收器管径对集热器性能的影响  60-61
  5.3 复合抛物槽开口宽度对集热器性能的影响  61-62
  5.4 接收器发射率对集热器性能的影响  62-63
  5.5 流速对集热器性能的影响  63-65
  5.6 本章小结  65-66
第六章 结论与展望  66-68
  6.1 结论  66-67
  6.2 问题与展望  67-68
参考文献  68-72
发表论文和参加科研情况说明  72-73
致谢  73

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中图分类: > 工业技术 > 能源与动力工程 > 特殊热能及其机械 > 太阳能技术 > 太阳能转换装置和设备
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