（热能工程专业论文）一种碟式太阳能斯特林发动机腔式吸热器热性能分析.pdf

nanjing university of aeronautics and astronautics the graduate school college of energy & power engineering analysis of thermal performance of cavity receiver in solar dish stirling engine system a thesis in thermal energy engineering by chen hui advised by associate-professor pu wenhao submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering december, 2012 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本承诺书） 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 吸热器是太阳能高温热发电的关键部件。在碟式太阳能斯特林热发电系统中，适用于中高 温条件的腔式吸热器被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。因此，依据腔式吸热器内部 温度分布特性以及热损失特性的研究结果，对腔式吸热器进行结构优化是提高碟式太阳能斯特 林热发电转换效率的有效途径。 本文以 5kw 碟式太阳能斯特林热发电系统的腔式吸热器为研究对象， 基于自然对流换热和 do 辐射换热模型对腔式吸热器的静态热性能和动态热性能进行了数值模拟研究，模型考虑了 温度对空气热物性的影响和换热方式多样性所带来的热边界条件设定的复杂性。对腔式吸热器 的静态热性能，研究了壁面温度、壁面发射率、倾角、形状以及开口比等参数对其热性能的影 响，给出了吸热器的散热特性以及优化后的结构模型。分析结果表明，较低的内壁面温度、较 低的壁面发射率、较高的倾角以及控制在 8 左右开口比的吸热器模型有利于减少腔式吸热器的 热损失。在此基础上，本文还研究了热流边界和外界风混合对流条件对腔式吸热器热性能的影 响。 针对太阳能时间分布不稳定性和空间分布不均匀性的特征，对腔式吸热器进行了动态热性 能的数值模拟，研究了吸热器在不同时刻、不同热源分布形式下吸热器热性能的变化规律。研 究表明：吸热器的上部分区域为高温区，上壁面的最高温度不在中心处。入射辐射热流越大， 吸热器内部平均温度越高。入射辐射热流分布越集中，吸热器内部温度分布越均匀。 最后对 5kw 斯特林发动机的热电转换特性进行了研究， 并设计了腔式吸热器热性能测试的 试验系统。 关键词：关键词：太阳能，斯特林发动机，腔式吸热器，静态热性能，动态热性能 一种碟式太阳能斯特林发动机腔式吸热器热性能分析 ii abstract the solar receiver is an important component of solar thermal power system. in solar dish stirling thermal power system, the cavity receiver applied in high temperature conditions is placed at the focal point of the concentrator, receives the high heat flux from the condenser and then converts solar energy into heat energy. the thermal performance of cavity receiver directly impacts on thermal efficiency and economics of the entire system.therefore, based on the findings of internal temperature distribution characteristics and heat loss characteristics of the cavity receiver, structure optimization is an effective way to improve the dish solar stirling thermal power efficiency. in this paper, cavity receiver in 5kw solar dish stirling thermal power system was presented. reasonable simplifications and assumptions were carried on cavity receiver with the convective heat transfer theory and the knowledge of the radiation model to study the thermal performance of the cavity receiver. the study took temperature impact on air thermophysical properties and the diversity of heat exchanger on the setting of thermal boundary conditions into consideration. the influence of the operating temperature, emissivity, the inclination angle and the aperture size on the static performance for the receiver was investigated. heat loss regularity and excellent structural model of the cavity receiver were also given. the results showed that the model with lower wall temperature, lower emissivity, higher inclination angle and approximately 8 ratio of the receiver bottom area to aperture area was beneficial to reducing the heat loss of cavity receiver. in addition, the impact of heat flux boundary and combined free-forced convection caused by wind was also studied. accounting for the instability and nonuniformity of solar distribution, numerical simulation on the dynamic thermal performance of cavity receiver was also finished. the dynamic thermal performance trend was obtained over different time and different forms of heat source distribution. the conclusions were obtained as follows: firstly, the upper portion of the receiver was in high temperature region, and the maximum temperature was not at the center of the upper wall. secondly, the greater the incident radiation flux was, the higher the internal wall temperature of the receiver became. the higher concentrated the incident radiation heat flux distribution became, the better uniform distribution of the internal temperature of the receiver was. this paper also studied the thermoelectric conversion characteristics of 5kw sirling engine, and the experimental system of the thermal performance about the cavity receiver was designed. keywords: solar energy, stirling engine, cavity receiver, static thermal performance, dynamic thermal performance 南京航空航天大学硕士学位论文 iii 目 录 第一章 绪 论 . 1 1.1 课题来源及意义. 1 1.2 碟式太阳能斯特林发动机腔式吸热器 . 2 1.2.1 太阳能热发电系统 . 2 1.2.2 碟式太阳能热发电系统简介 . 3 1.2.3 腔式吸热器简介 . 5 1.3 腔式吸热器的国内外研究现状 . 6 1.4 本文研究内容. 9 第二章 腔式吸热器的理论基础和计算方法 . 10 2.1 基本假设及控制方程 . 10 2.2 数值研究方法及计算模型 . 11 2.2.1 数值研究方法 . 11 2.2.2 数值研究求解过程 . 12 2.2.3 辐射模型. 13 2.3 腔式吸热器的设计思路 . 15 2.4 小结 . 16 第三章 太阳能腔式吸热器热性能验证研究 . 17 3.1 模型验证 . 17 3.1.1 二维改进半球形吸热器模型验证 . 17 3.1.2 典型的三维圆柱形吸热器模型验证 . 19 3.2 计算结果和分析. 21 3.2.1 温度场模拟 . 21 3.2.2 热损失. 22 3.3 小结 . 23 第四章 5kw 圆柱形腔式吸热器静态热性能研究 . 24 4.1 5kw 圆柱形腔式吸热器的模型 . 24 4.1.1 几何模型建立及网格划分 . 24 4.1.2 边界条件及计算模型确定 . 25 4.2 5kw 圆柱形腔式吸热器模拟结果分析 . 27 一种碟式太阳能斯特林发动机腔式吸热器热性能分析 iv 4.2.1 吸热器壁面条件对静态热性能的影响 . 27 4.2.2 吸热器倾角对静态热性能的影响 . 31 4.2.3 吸热器形状对静态热性能的影响 . 33 4.2.4 吸热器开口比对静态热性能的影响 . 37 4.3 结果分析 . 40 4.3.1 对流热损失的影响因素 . 40 4.3.2 辐射热损失的影响因素 . 41 4.3.3 腔式吸热器的最优工作方式 . 41 4.4 吸热器不同热流壁面条件下静态热性能分析 . 42 4.5 吸热器在外界风条件下的静态热性能分析 . 44 4.5.1 物理模型. 45 4.5.2 结果分析与讨论 . 46 4.5.3 换热规律. 49 4.6 本章小结 . 50 第五章 5kw 圆柱形腔式吸热器动态热性能研究 . 51 5.1 数理模型 . 51 5.1.1 物理模型. 51 5.1.2 入射辐射强度模型 . 52 5.2 边界条件 . 54 5.2.1 do 辐照模型 . 54 5.3 结果分析 . 55 5.3.1 入射辐射强度的影响 . 55 5.3.2 入射辐射分布的影响 . 57 5.4 小结 . 58 第六章 碟式太阳能斯特林发动机实验研究 . 59 6.1 斯特林发动机的热电转换特性实验研究 . 59 6.1.1 实验目的和内容 . 59 6.1.2 实验平台. 59 6.1.3 斯特林发动机实验步骤 . 60 6.1.4 测试结果及分析 . 61 6.1.5 结论 . 62 6.2 腔式吸热器热损失特性实验系统 . 62 南京航空航天大学硕士学位论文 v 6.2.1 实验原理. 63 6.2.2 实验装置. 63 6.2.3 实验工况. 65 6.3 小结 . 65 第七章 总结与展望 . 66 7.1 研究结论 . 66 7.2 展望 . 67 参 考 文 献 . 68 致 谢 . 73 攻读硕士学位期间取得的学术成果 . 74 一种碟式太阳能斯特林发动机腔式吸热器热性能分析 vi 图表清单 图 1.1 太阳能转换与利用方式图 . 1 图 1.2 塔式太阳能热发电装置 . 2 图 1.3 槽式太阳能热发电装置 . 3 图 1.4 碟式太阳能热发电装置 . 3 图 1.5 聚光器和斯特林发动机示意图 . 4 图 1.6 碟式太阳能斯特林热发电系统及吸热器示意图 . 4 图 1.7 腔式吸热器三维结构图 . 5 图 2.1 cfd 软件计算的基本过程 . 12 图 2.2 商业软件计算分析的步骤 . 13 图 3.1 半圆封闭腔式接收器模型 . 17 图 3.2 半圆封闭腔等温线图 . 17 图 3.3 文献中半圆封闭腔的等温线图 . 18 图 3.4 改进腔式吸热器模型 . 18 图 3.5 改进吸热器的不同倾角下的温度云图 . 19 图 3.6 典型吸热器模型的几何尺寸图 . 20 图 3.7 典型吸热器模型的计算网格图 . 20 图 3.8 taumoefolau 关于典型吸热器模型实验的系统图 . 21 图 3.9 taumoefolau 关于典型吸热器模型不同倾角下的流动图像 . 21 图 3.10 典型吸热器模型不同倾角下的温度云图 . 22 图 3.11 三维吸热器的热损失值对比 . 23 图 4.1 圆柱形腔式吸热器的几何模型 . 24 图 4.2 腔式吸热器的网格划分图 . 25 图 4.3 空气的各物性参数拟合曲线 . 26 图 4.4 0倾角下腔式吸热器的温度云图 . 28 图 4.5 0倾角下腔式吸热器的速度矢量图 . 29 图 4.6 0倾角下不同壁面温度下对应的热损失 . 29 图 4.7 0倾角下不同壁面发射率下的热损失 . 30 图 4.8 0倾角下不同壁面发射率下的总热损失 . 30 图 4.9 973k 壁温不同倾角下腔式吸热器的温度云图 . 32 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 图 4.10 不同倾角下吸热器的热损失 . 33 图 4.11 三种不同结构的吸热器模型及网格图 . 34 图 4.12 三种不同结构的吸热器模型的温度云图及速度矢量图 . 35 图 4.13 不同吸热器结构的对流热损失 . 35 图 4.14 不同吸热器结构的辐射热损失 . 36 图 4.15 不同吸热器结构的总热损失 . 36 图 4.16 不同开口比下吸热器的几何尺寸图 . 37 图 4.17 0倾