热管型槽式太阳能集热器开发与研究

1、热管型槽式太阳能集热器开发与研究 场 :.博士学位论文摘要本文面向当前太阳能热发电中的关键技术?集热器技术进行了开拓性研究,针对槽式 太阳能热发电系统开发了具有自主知识产权的高可靠性热管型槽式太阳能集热器及中温热管接收器密封结构,并对其进行了相关的理论和试验研究。主要研究内容和结果如下:在分析槽式太阳能热发电技术及运行特点的基础上,以高可靠性和低成本为目标,将热管技术应用于集热器的开发,提出了热管型槽式太阳能集热器结构,发明了中温热管接收器密封结构,并获得了国家发明专利授权;对该密封结构的可靠性进行了探索性分析,表明该密封结构具有较高的可靠性;进而对集热器的核心传热单元?热管单元的具体结构进行

2、了开发;然后对槽式抛物面聚光镜进行了设计选型,最后试制了热管型槽式太阳能集热器的样机。针对热管型槽式集热器的结构和工作特点,结合太阳能热利用的条件,对用于槽式太阳能集热器的热管进行了理论分析。包括半周向受热情况下的热管启动理论分析、热阻计算以及传热极限计算。理论计算结果表明:该萘热虹吸管从分子流动到连续流动的转折温度为:热虹吸管的热阻在工作温度和管径一定的情况下与管长有关,管子越长,热阻越大。根据槽式抛物面聚光镜的工作特性,搭建了热管单元模拟试验系统,并进行了相关的试验研究。研究了下半周向和侧半周向两种受热方位下的启动性能和稳态传热性能,并分析了倾角、受热方位以及充液率对肩动性能和稳态传热性能

3、的影响。试验结果表明:萘热管在。或。倾角、半周向受热方式下能正常启动,并且整根热管蒸发段的轴向均温性良好;相同充液率的热管,不同受热方位对启动性能影响不大;倾角对启动性能有一定的影响,较小倾角下,完全启动所需要的时间较短;倾角对热管蒸发段轴向均温性和传热性能均影响较小。对热管型槽式太阳能集热器的传热进行了数值模拟研究,采用软件中的标准七一占湍流模型对槽式集热器外部流场的流动与换热进行了详细计算。选择了槽式抛物而聚光镜与接收器之间的相对位置、风速、风向三个因素和三个水平进行了正交设计,通过模拟计算和极差分析,得出了对热管型槽式集太阳能集热器外部传热影响最摘要大的因素为风速的结论。对热管型槽式太阳

4、集热器进行了室外试验,搭建了集热器效率试验系统,并进行了试验研究。研究了集热器的实时效率与环境因素之间的关系,实时效率与风速之间的关系。同时,还研究了热管在全天工作中的周向和轴向温度分布的规律,发现最大周向温差在以下,大大低于传统槽式系统中接收器的周向温差;热管的轴向均温性较好,最人轴向温差在以下。另外,选择正午准稳态工况下,就风速对散热的影响进行了试验研究,其结果与数值模拟计算的结果基本一致。最后基于上述研究成果,设计了.热管型槽式太阳能热发电系统。本文的研究成果为热管技术在槽式太阳能热发电系统中的应用提供了崭新的素材,此集热器的开发应用,可望解决以往槽式太阳集热器可靠性不高的瓶颈,为进一步

5、的研究和工业化应用奠定基础。关键词:太阳能槽式热发电热管型集热器传热性能集热效率博学位论文,. ,. :, . . ,. .,.,., . ., ., ,.,. . , , .,.喝 .,. .,.,., .博士学位论文 ,. . . .,.:; ;符号说明符号说明英文字母面积抛物面聚光镜开口宽度太阳能聚光镜会聚比定压比热容印/?直径抛物面聚光镜口径比;热管外径抛物而聚光镜焦距厂重力常数/对流换热系数/.汽化潜热. /五 太阳肖射辐射强度/太阳入射角修正系数玻尔兹曼常数三抛物面聚光镜长度;热管长度砌质量流量传输因素/尸 压力传热量热流密度/天热阻/.气体常数咫服熵管壁壁厚丁 温度端盖厚度博士学

6、位论文向坐标向坐标向坐标希腊字母盘吸收率热扩散系数 /效率角度分子平均自由程/.导热系数 .动力粘度密度 /矿 有效碰撞直径/表面张力材料许用应力透射率测量时间下标热管绝热段吸热管热管冷凝段分子导热对流换热辐射换热临界符号说明热管蒸发段流体饥玻璃套管”转折季 饱和壁面, 液体蒸汽.。 入口出口相似准则数克努曾数雷诺数瑞利数努赛尔数普朗特数数学运算符号偏微分算子注:本论文中其它符号均在其出现处作了标注和说明。博士学位论文目 录中文摘要?.?一符号表?第一章绪论?.课题的背景及意义.槽式太阳能热发电技术的国内外研究现状?.槽式太阳能集热器的工业应用背景?.热管在太阳能热利用中的国内外研究进展?.本

7、课题的研究背景及意义.课题的研究思路和目标?. .课题的研究内容?.本章小结参考文献?.第二章 热管型槽式太阳能集热器的开发.热管型槽式太阳能集热器的开发思想?.中温热管接收器的玻璃金属密封结构开发.密封结构开发?.可靠性分析.用于槽式太阳能热发电系统的热管单元开发?.热管的工作条件和特性要求?.热管的工作温度范围?.热管工质的选择.槽式太阳能集热器中热管单元的结构设计?.槽式抛物面聚光镜设计?.目录.热管型槽式集热器样机试制.本章小结参考文献?一第三章 用于槽式太阳能集热器热管的理论分析?.热虹吸管传热特性?.冷凝段的传热分析.蒸发段的传热分析.半周向受热热虹吸管的传热模型?.热虹吸管管壁热

8、阻.汽.液交界面上的传热热阻?.蒸汽流动热阻?.冷凝段液膜传热热阻?.热虹吸管传热模型计算结果分析.半周向受热萘热虹吸管启动过程的理论分析?一.启动过程理论分析.启动过程描述?.热虹吸管冷冻启动极限分析?.热虹吸管的传热极限模型.携带传热极限?.沸腾传热极限?.干涸传热极限?.热虹吸管传热极限理论结果分析?.携带传热极限讨论.沸腾传热极限讨论.各种传热极限比较.本章小结?.参考文献?.第四章用于槽式太阳能集热器热管性能的试验研究.萘热虹吸管启动过程的试验研究?.博士学位论文.试验目的及试验装置?.试验结果分析?.试验结果与理论结果的比较?萘热管传热特性试验研究?.倾角对热管等温性能的影响?.受

9、热方位对热管等温性能的影响.倾角对热管传热性能的影响?.本章小结参考文献?第五章 热管型槽式太阳能集热器传热性能的数值模拟研究.热管型槽式太阳能集热器流动与传热分析.热管型槽式集热器的传热过程.热管型槽式集热器的能量平衡.数值计算方法概述?一.热管型槽式太阳能集热器的数学模型?.流体动力学模型.控制方程的简化?.数值计算过程】.正交设计?.几何模型?.边界条件设定.数值求解方法.数据处理?.网格独立性验证?.计算结果与分析.正交试验结果.速度场、温度场和热流密度分布?.风速对散热的影响分析?.本章小结?.目录参考文献. 第六章热管型槽式太阳能集热器传热性能的试验研究?.集热器效率试验.试验内容

10、及原理?.试验装置与测试系统.试验数据处理及结果分析?.接收器周向温差的研究.接收器轴向温度分布分析.本章小结参考文献第七章热管型槽式太阳能集热器性能模拟实验研究及.热管型槽式太阳能热发电系统设计.热管型槽式集热器性能模拟试验?.试验方案?. .试验主要测试参数?.测试结果?.槽式热管式太阳能热发电系统的热力原则性设计.系统设计?.各加热段镜场的优化。.本章小结第八章 结论与展望. .结沦?.展望?在读期间发表论文及获奖情况?.致谢? 博十学位论文第一章 绪论.课题的背景及意义上世纪年代爆发的能源危机使世界各国开始认识到能源对人类的重要性,也认识到常规化石能源在利用过程中对环境造成的严重污染和

11、对生态造成的破坏。为了保持经济与环境的和谐可持续发展,大力开发利用太阳能、水能、风能、地热能、生物能等清洁能源和可再生能源资源,减少对化石能源的依赖,减轻环境污染,遏制全球气候变暖,己成为世界各国的共识。从长远的角度看,世界能源储黾最多的是太阳能,在可冉生能源中占.%,而水能、风能、生物能、地热能等则不到%。因此,世界各国都在重点开展太阳能转换的研究,各种太阳能集热器的研究有了长足发展卅。平板式、闷晒式、真空管式等非聚焦型太阳能集热器得到了广泛的应用和发展,但也逐渐显示了其聚集温度太低的缺陷。为了更有效地利用太阳能,必须提高入射阳光的能量密度,国内外研究者开始寻求聚焦型集热器,以期在较小的集热

12、面上得到较高的集热温度和集热效率,从而大大提高各种太阳能利用系统的总效率。槽式太阳能集热器利用槽式抛物面聚光系统改变阳光的入射角度,使入射太阳辐射聚焦到接收器上形成聚焦线,经过槽式抛物面聚光镜的聚光作用后,能量密度可以提高数倍。因此,槽式聚光镜不仅可以达到较高的集热温度,而且具有?之间的较小会聚比【】而使加工工艺简单,多个聚光镜之间可以实现同轴跟踪,相比于其它点聚焦的聚光镜而言,具有跟踪装置的成本更低,整体投资更小,易于商业化等优点,在太阳能中温热利用领域得到了广泛的关注和应用。.槽式太阳能热发电技术的国内外研究现状在槽式、塔式、碟式三种太阳能热发电系统中,槽式太阳能热发电技术具有成本最低、系

13、统简单、对材料要求比较低、跟踪装置简单、最接近商业化、适合大规模运行等优点。目前,槽式太阳能热发电系统主要有两种:双回路系统和直接产蒸汽 系统。双回路系统采用导热油回路和水一蒸汽循环回路。工作过程为:高温真空集热管将槽形抛物面聚光镜收集的太阳光转化为热能,加热真空集热管内的导热油,然后通过换热设备将热量传递给第一章绪论水,产生过热蒸汽推动汽轮机带动发电机进行发电,系统流程如图一所示。主要优点是在槽式抛物面镜场内真空吸热管内的导热油在工作中不会发生相变,可靠性高,且主循环系统的压力歹需.,无高压危险。缺点是采用导热油作为吸热介质,如果产生泄露,在高温下容易引起火灾,月.需要大晕的换热设备,成本较

14、高。目前已建成的商业化抛物面槽式太能热发电站大多采用双回路系统。季图.槽式太阳能双回路发电系统示意到.直接产蒸汽技术中,传热介质为水,直接流经槽式抛物面镜场中的集热器产生过热蒸汽,与双回路相比省去了导热油回路和换热系统,因此提高了系统的光热转换效率,同时也降低了成本,代表了槽式太阳能热发电技术的发展方向。系统虽然可以显著降低电站成本,但技术依然不成熟,主要原因是在接收器内直接产蒸汽,压力高,汽水混合物对管路冲击严重,吸热管周向温差较大,由于温度不均匀产生的热应力会造成接收器弯曲,偏离聚焦线,严重时甚至会导致玻璃套管破裂,损坏接收器,因此该技术仍然处于试验阶段。图】为项目建设的一个系统电站,该项

15、目是项目在理论上的延续,由西班牙一德围能源合资公司投资,目的是为了得到博:学位论文技术应用二商业化结构及运行的详细参数。到】一 项目系统示意图.?国内外研究者对槽式太能热发电技术进行了较多的研究:从可以检索到的文献来看,这些研究均重点集中在槽式太阳能热发电系统中集热器单/己的传热与流动特性。集热器单元主要由槽形抛物面聚光镜、接收器以及跟踪装置等组成,如图一所示;接收器结构如图一所示。下文将从理论研究和试验研究两个方面对槽式太阳能集热器单元的传热与流动特性研究现状做简要介绍。/弋厘.膨胀竹.玻璃套管.吸热钢管.吸气剂.吸气装置.真空层图】.集热器单元示意图 图接收器结构示意图.?.等人¨

16、;对槽式太阳能闪蒸系统进行了研究,为使集热器在。的工作温度下仍然具有较高的集热效率,以保证能产生较高品质第一章绪论的蒸汽。该文对槽式太阳能集热器建立了数学模型,用以预测每天的蒸汽产量和系统完全启动所需要的能:黾。模型的参数采用槽式抛物面聚光镜开口为.,聚光面积为.,会聚比为.,接收器的外径为,单位聚光面积下质量流量取./,用于产生蒸汽的闪蒸器外径取,高。计算程序采用语言进行编写,取每个月最有代表性的某天气象条件作为计算参数。计算结果表明:启动预热阶段所需的能量为.,如果系统在多云天气被云遮蔽小时,则系统重新进入稳态工况需要.的能量;通过理论计算分析发现只有%的太阳直射辐射能被集热器接收用以产生

17、蒸汽;此外还对闪蒸器的结构进行了优化计算,结果表明:对于这一聚光面积的槽式集热器配备的闪蒸器最佳外径为,容积为.。.等对电站的槽式太阳能集热器传热性能进行了数学分析和理论计算,集热器效率以吸热管发射率、吸热管外壁温度、风速以及直射辐射强度等参数进行计算。由于不涉及内部流体温度与流动状态,因此模型可以用来计算加热不同工作流体的集热器效率。由于太阳能热发电系统中的接收器在过热段的热应力比电站中】采用三维有限的要大,为设计出适用于系统的接收器。等【元法的数值模拟方法对用于的接收器表面热应力行为和散热损失进行了数值计算,并根据计算结果设计了接收器。模型考虑了吸热管外壁与玻璃套管内壁之间的辐射传热、玻璃

18、套管外壁与环境之间的辐射和对流传热、忽略了支撑结构的导热损失。物理模型的尺寸为:吸热管外径.,吸热管壁厚为.,玻璃套管外径为.,玻璃套管壁厚为.,吸热管长度.。边界条件设置为:吸热管内流体温度为。,环境空气温度为;内部流体对流传热系数为/.,玻璃套管外部空气对流换热系数为或者/.。计算结果表明:玻璃套管外壁的热流密度分布不均匀导致玻璃套管外壁的温度分布不均匀,最大温差达。假如忽略环境温度的对流散热损失,玻璃套管外壁温度可达,如果考虑对流散热损失和辐射热损失,玻璃套管外壁温度降低至一。.等对伊朗的槽式太阳能热发电系统的集热器流动和传热进行了数值模拟。对集热器建立二维数值模型,选择了.、和四个风速

19、,选择了。、。、。、。、.。、一、一。七博士学位论文个聚光镜角度。通过数值模拟计算了风速和聚光镜位置对流场压力分布的影响。计算结果表明:在聚光镜的迎风面和下风面存在大量的扰流区;聚光镜开口处的压力较大,聚光镜与风速的夹角越大,到达聚光镜的风速增加越快。另外,还对湍流模型进行计算,数风速对传热特性的影响进行了数值模拟,采用值计算结果表明:流场分布与流体绕过单根水平圆管的流动完全不同,槽式集热器流场是非对称的,和风速与集热器的相对位置有关;绕接收器的数的分布也与绕水平圆管的不同,取决于聚光镜与风速的位置,当风速的方向面向聚光镜的凹面时,数会下降:当到达接收器的风速被聚光镜遮挡时,平均数较少受到风速

20、增加的影响,反之,则受风速影响剧烈。.等【】基于能量平衡方程,对槽式太阳能集热器内部的传热及流动特性进行了数值模拟。首先对接收器为直通式的集热器进行了数值研究,模型考虑了几何结构、光学性能和流体动力学特性。计算了使用水和导热油两种流体的集热器温度变化、集热效率以及热损失,并与美国国家实验室的稳态实验数据进行了对比。结果表明:集热效率最大误差为.%,平均偏差为±.%:温升的最大误差为.%.,平均偏差为±.%±.,表明模型正确并且可以用于模拟更为复杂工况下的流体流动与传熟,对于设计和优化系统具有重要的指导意义。.等【 为分析槽式太阳能电站的经济性,对种槽式太阳能电站的

21、传热性能和光学性能进行数学计算和理论分析,个模型的发电动力循环系统参数相同,但是采用不同的抛物面聚光镜场面积,每种模型的光学特性和传热特性都进行了计算分析,其中光学损失主要从入射角和入射角修正系数进行考虑。通过对传热特性的计算和分析得到了不同辐射强度下的光电转换效率和电站年发电量,从而得到最佳的太阳能镜场参数。肖杰等【运行蒙特卡洛光线追踪法和计算流体与传热有限容积法、撇相结合,进一步研究了槽式集热器吸热管内耦合传热过程。另外,还研究了太阳光不平行夹角、几何聚光比和边界角等参数对吸热管热流密度分布的影响。物理模型选用了美国国家实验室等人试验研究的.集热管。模拟研究表明,光不平行夹角主要对吸热管周

22、向热流密度分布产生影响,使其分布平缓,对轴向热流密度的分布影响不大:在太阳直射辐射强度大致相同时,传热流体入口流速与入口温度对接收器表面上最大温差及对换热影响很大;第一章绪论物性的变化对流体对流换热影响也较大。.等【采用蒙特卡洛光线追踪法和软件对槽式集热器吸热管外壁的热流密度分布和温度分布进行了数值计算。物理模型中选用导热油。采用试验中采用的.槽式集热器,传热流体为了三个模型进行了计算,模型为忽略导热损失和对流损失、模型为忽略辐射,热损失、模型则将这三种热损失全部进行考虑。计算结果与的试验结果进行了对比,平均误差在%以下,吸热管外壁面温度分布与直射辐射强度、吸热管内部流动雷诺数、和内壁而发射率

23、等的变化关系都进行了数值计算,计算结果与试验结果吻合较好。表明该模型和计算方法可信,不仅可以用柬模拟验证现有试验已经测得的数据,还能用来计算一些难以测量的参数。对槽式太阳能聚光集热器系统建立了二维经验模型,熊亚选等利用最新一代槽式太阳能集热管结合.聚光集热器,对其二者组成的太阳能集热系统的光热性能进行了详细的数值研究,研究了传热流体流量、环境风速与环境温差以及环形空间压力等因素对集热器光热性能的影响。数值计算结果与试验数据进行了对比,在传热流体与环境温差较小时,偏差较小;当温差较大时,计算值与试验数据误差相对较大,但仍然小于%,主要原因是选择性涂层的发射率测量值偏大造成。温差越大,集热器的光.

24、热转换效率越低。文中模型的计算结果基本上与试验数据吻合,可以用来预测聚光集热器的光.热转换效率。从可以检索到的文献来看,目前国内外采用软件建立三维数值模型对风速、风向以及聚光镜与接收器相对位置三个因素的交互作用做对集热器传热的影响未见报道。本文在研究过程中,将对这三个因素交互作用对集热器传热性能的影响进行数值模拟研究。试验研究方面.在美国国家实验室对单个.集热等器的传热性能进行了测试,槽式抛物面聚光镜开口宽度为,长为.。对一集热器的集热效率和热损失进行了测试,测试中使用了金属陶瓷和黑铬两种选择性涂层和三种接收器结构:玻璃套管和吸热管之间抽真空、玻璃套管与吸热管之问有空气、完全移除玻璃套管。试验

25、结果表明:集热器的传热性能与接收器的结构有很大关系;将金属陶瓷换成黑铬时集热器性能大大下降,当玻璃套管与吸热管之间注入空气或者完全移除玻璃套管时,集热器的集热效率大大下降,博士学位论文这是由于增加了对流和传导热损失。集热效率最高的为抽真空的接收器与金属陶瓷作为选择性涂层的集热器,其次是抽真空的接收器与黑铬作为选择性涂层的集热器,集热效率最低的是完全移除玻璃套管的接收器与黑铬作为选择性涂层的集热器。.还在国家实验室对单个槽式集热等器进行了传热性能测试,槽式抛物丽聚光镜开口宽度为.,长.。选择一镀铝、.镀银的两种镜面材料和黑铬、黑镍两种选择性涂层以及普通白玻璃、防反光玻璃的两种玻璃套管对集热器的传

26、热性能测试。除了光学效率测试使用冷水作为传热流体外,其余测试中的传热流体均采用§导热油。效率试验结果表明:黑镍具有较高的吸收率、更好的光学特性和更长的使用寿命,防反光玻璃则可以通过更多的会聚光线。黑镍和接收器的效率最高,其次是黑铬和接收器,效率最低的是黑铬和接收器。热损失测试结果表明:黑铬和接收器热损失要高于黑镍和接收器,并且两种接收器的热损失都是随传热流体平均进出口温度与环境温差的增加而增大。对不同玻璃套管、选择性涂层和镜面材料进行组合的集热器效率进行了测试,得到了各个不同组合下集热器的瞬时效率计算公式,并根据试验数据拟合出了入射角修正系数的计算公式。等人,【.?】设计了一套用于太

27、阳能热发电系统的槽式集热系统,并在西班牙试验台上进行了超过小时的真实太阳光下试验。系统包括个.槽式集热器单元,对集热器的效率、启动性能、稳态和瞬态性能、倾斜放置和水平放置下的传热性能、吸热管周向温差、压降等进行了测试。系统改进了集热器吸热管的结构,在内壁加入毛细结构,并测试了吸热管的强化传热效果,试验结果表明,在小流量情况下,吸热管内汽液分层流情况有良好改善,但是在用于系统的大流量情况下,吸热管内壁加热毛细结构对分层流没有明显的影响。测试改变集热器工作倾角对周向温差的影响,试验结果表明,倾斜放置对周向温差的影响很小。槽式系统中,水作为传热流体流经接收器,吸热后依次产生饱和蒸汽、过热蒸汽,为提高

28、蒸汽品位,系统一般采用较高的操作压力,汽水混合物对管路冲击严重;饱和蒸汽段容易形成分层流,蒸汽在上水在下,上下两部分流体与吸热管管壁的对流换热系数相差较大,造成吸热管周向温差较第一章绪论大;过热段传热流体即蒸汽与吸热管管壁的对流换热系数较小,吸热管吸收到的太阳能不能被及时带走,同样会造成吸热管周向温差较大,降低了系统的可靠性。等人,?将两根长,直径为不锈钢管并联连接成试验系统,工作流体从同一入口进入管路后,被分流成两部分进入两根管路中,两根管路可以施以不同加热功率、不同的受热方位以实现因太阳直射辐射强度和受热方位不同造成的分层流现象的模拟。根据加热功率和流量的不同,可以在管路中分别产生过冷水、

29、汽.水混合物或者过热蒸汽。试验中,测量每根管路工作流体的进口流量、温度、压力和两根管路的混合出口温度、压力等参数,观察流量在两个管路中的分配规律。根据反复试验的结果表明,最佳的设计流量为./,可以获得最佳的效率和最高的温度。当./至/之间变动的时候,两个管路中的流量开始不稳定,其中一个管路中的流量最低只占到了总流量的%,出口温度非常不均匀,其中一根管路的出口温度几乎可以忽略,另外一根管路的出口温度却非常高。当对其中一根管路施加加热功率,另外一根管路施加加热功率时,管路巾的情况变得很复杂,当流量低于./或者高于./时,管路中流体状态是单相流动,流量低于./时,能产生过热蒸汽,高于./时,出口流体

30、为汽.水混合物。试验结粜与理论计算值吻合很好,可以为槽式系统中每根管路的最佳流量、进口压力,出口温度等参数的设计提供依据。系统中吸热管周向温差过大的问题一直制约着槽式太阳能热发电技术的发展,为改善吸热管周向温差过大的问题,各围学者进行了大量的试验研究。墨西哥的等,】人主要对接收器的性能进行了研究。在实验中发现:在直接产蒸汽系统中,在使用低碳钢作为吸热管内直径为.,壁厚.,每支撑段长.时,当出现分层流时,吸热管出现了最大的挠度,引起了玻璃管的碎裂,使吸热管暴露在空气里,偏离聚焦线,导致系统热损增加,热效率降低。研究结果显示吸热管周向最大温差为等,在某些部位最大可达到。【?对用于系统的槽式集热器单

31、元的周向温差进行了试验研究,采用.复合金属代替普通的吸热管,研究集热器单元在瞬变工况下的周向温差。全天试验中,吸热管内流量在/到/之间不断变化,槽式抛物面会聚的太阳光线从吸热管下半周向移动到吸热管的侧半周向上,试验结果表博十学位论文明:较之以前的文献提到的吸热管在工作中的周向温差过大而产生的形变现象,采用?复合金属的吸热管的周向温差要小许多,原冈在于铜具有很高的导热系数,能使吸热管的温度在周向上保持均匀,消除了周向温度梯度。等人设计出一种新的接收器结构,在接收器中加入次反射板,将聚光器的太阳光线的一部分反射到吸热管背对聚光镜的一面,降低了由于热流密度分布不均匀造成的过热段吸热管周向温差较大的问

32、题,但无法解决因为分层流造成的周向温差过大。上述的方法均未从根本上减小吸热管周向温差的方法,但是结构都过于复杂,加工制造网难,反而增加了接收器成本。与欧洲科研机构等合作改进现有接收器,研制出用于系统的接收器样品,结构尺寸类似于 接收器,只是设计的吸热管壁厚要能够承受高蒸汽压力。以色列公司也开发了新的接收器,采用硼硅酸盐玻璃套管并涂有高反射率的涂层、采用不锈钢外镀金属合金陶瓷选择性涂层作为吸热管、采用膨胀节做了玻璃金属的密封过渡装置,并在密封装置外装有保护性屏蔽罩。实验结果表明,安装这种新型接收器,使集热器效果更好,获得了更高的集热温度。意大利国家能源与环境新技术机构从年起开始进行热动力太阳能工

33、程项目,设计开发了一种新的接收器.,采用双层金属合金陶瓷选择性涂层,试验结果表明双层选择性涂层具有更高的吸收率和更低的发射率,在高温时,吸收率高于.,而发射率低于.。我国尚尤建设槽式太阳能电站的经验,也没有规模较大的槽式太阳能集热器测试系统,对槽式太阳能热发电技术的研究刚刚起步。.槽式太阳能集热器的工业应用背景伴随着槽式太阳能集热器开发研究进程,槽式太阳能集热器在热发电系统、热水系统、制冷空调系统、海水淡化系统等系统都得到了成功的工业化应用。太阳能热发电技术的应用年墨西哥国立大学首次开发了抛物面槽式太阳能集热器这项技术,使用了一个长、宽的抛物面槽式集热器,在接收器中直接产生蒸汽,并输出给一个的

34、活塞式发电机。小时内,平均太阳辐射强度为/的条第一章绪论件下,太阳能转化为机械能的效率人约为%。继这个小模型之后,又建立了个效率较高的槽式太阳能集热系统,使用了大约聚光面积的集热器,该系统首先以矿物油为/:介质,通过。个热交换器产生蒸汽,两年后该系统开始使用水为工作介质,直接产生蒸汽川。年年先后有座槽式太阳能电站在美国禾福尼弧州莫哈韦沙漠建成并投入运行,总装机容量口,大大推动厂槽式热发电技术的发展。年月欧盟肩动了计划,建立广槽式抛物面聚光镜面积为,对系统的循环系统、集热器性能、接收器性能、管内传热流体流动性能、系统启动停午程序等多方面进行了模拟和试验研究阻 ,并存此基础上建立了第一?座槽式太

35、能热发电站?,该电站的装机容量为,能产生。/一的高温高压蒸汽?。年希腊在克单达岛建造丫欧秽第一座大装机容量的槽式太阳能电站,从电站设计到真正运行历时四年,总装机容量为,占地面积达万:。年,埃及建成了装机容量为的槽式太阳能电站,为其他能源与太阳能联合运行电站。年,以色列建成了装机容量为的槽式太阳能电站,采用蒸汽循环发电。年,西班牙和德国联合建立装机容量为的槽式太阳能电站。年,美国在内华达州建立了座槽式太阳能电站,这是继南加州座槽式太阳能电站后又一新建太阳能电站,总装机容量达,可供户家庭生活用电。年西班牙号槽式太阳能电站投入运行,总装机容量,槽式抛物面镜场达,平方英尺。图?为项目在建立的槽式太阳能

36、电站,图为 槽式太阳能电站实景图。陵昂图一 槽式太阳能电站 图. 岁一 槽式太刚能电站.? .?热水系统中的应用博十学过论文槽式集热器用于热水供应系统已经被证明是。种成熟有效的可再生能源利用技术。早在年,美国加尼福尼亚建莎,一座槽式集热器热水供应系统,聚光面积为,可产生。的热水供居民使用【。在美国的其他地区,如克罗地皿、加尼福尼亚、丹佛等地也已经建成了大规模的槽式聚光热水系统,每天能向当地居民提供超过公升的热水,图?为美国加尼福尼亚的槽式太阳能热水系统实物图【引。美国亚利桑那州安装了个槽式集热器,聚光面积达的槽式太阳能加热水系统,该系统有两个储水箱,总容量达,每天可提供加仑.热水,该系统从年至

37、年共提供了 的太阳热能,节省开支美元【川。图关国加尼襁尼、槽式太刚能热水系统,? ? .?空调制冷系统中的应用在美国,建筑的能耗已经超过了所有能耗的/,而空调系统的耗能已成为建筑耗能的主要部分。目前,空调制冷主要采用电力驱动的压缩式制冷,这对于夏季用电高峰时期,严重地加重了电网负担。因此各个学者开始考虑将太阳能和空调制冷系统有机结合起来,来实现对建筑物的制冷。在太阳能制冷空调系统巾,集热器是很重要的一个单元,主要是将太阳光会聚到真空管上,加热管内的循环水,产生左右的高温热源水进入主机高发,主机以热水机的循环进行制冷运行。由于槽式集热器具有较高的集热效率,能得到较高的高温热源,因此槽式集热器的利

38、用和研究得到了很大的发展。世界上第一台槽式太阳能双效吸收式制冷机组位于土耳其达拉市,如图.所示。年美国在建第一章绪论立了一座槽式集热器吸收太阳能驱动水一溴化锂双效吸收式制冷空调,其中槽式抛物面聚光镜面积达引 。年西班牙建立了一套槽式太阳能制冷空调系统,集热器工作流体温度可达。年美国在纽约建立了。套槽式太;能制冷空训系统,槽式抛物面聚光面积为。中国在槽式太阳能制冷空调系统方面也加快了研究步伐,于年伍天津建成了槽式集热器给溴,化锂吸收制冷机组提供驱动的槽式人刚能制冷空训系统,聚光面积为制冷量可达,如图?所示峰?。图.土耳其达拉槽式太刚能空调 图?天津槽式太阳能空调系统 .? .?,海水淡化中的应用

39、在海水淡化的多级沸腾蒸馏系统中,多级堆积管式蒸发系统最适合以太阳能作为热源,由于多级堆积管式蒸发系统所需的供热温度在之间,很容易通过槽式太阳能集热器达到,因此各国开始研究利用槽式太阳能集热器提供热源与常规海水淡化系统相结合,图.为槽式太阳能海水淡化系统流程图。科。早在年,就开始研究槽式太阳能集热器用丁海水淡化【威特已建成了利用的槽形抛物面太阳能集热器及一个升的贮热罐为多达级的闪蒸系统供热的太阳能海水淡化装置,每天可产近吨淡水【 。西班牙在建立了一套海水淡化装置,使用了槽式太阳能集热器和多级沸腾蒸馏系统相结合,槽式抛物面聚光面积达,每天可生产淡水,经过一段时问的运行显示,这套新系统的性能比是先前

40、老系统的倍【 。阿拉们博士学位论文【】。海湾地区已建成一座大型槽式太阳能海水淡化装配,口产淡水可达图? 槽式太阳能海水淡化系统流程图.?.热管在太阳能热利用中的国内外研究进展热管具有结构简单、制造方便、成本低廉、高效的传热性能、优良的等温性、热流密度可变性和热二极管性等优越性。热管应用于太阳能的热利用受到了越来越多的关注。国内外学者对热管用于太阳能的热利用进行了较多的研究:这些研究主要集中在热管式集热器整体传热性能和热管的传热性能。下文将从试验研究和理论研究两个方面对热管在太阳能热利用中的研究现状做简要介绍。理论研究方而.等 【对用于甲板式太阳能集热器的无芯重力热管在不同太阳直射辐射强度、冷却

41、水进口温度、吸热板材料、吸热板厚度、两根热管的距离与热管外径之比以及冷凝段占热管总长的比率等因素对热管瞬时传热性能的影响进行了理论计算和研究,分别对玻璃盖板、吸热板、热管蒸发段、热管冷凝段、冷却水建立非稳态能量平衡方程,采用有限差分泫,求解非稳态能量衡方程,得到效率与各个参数之间的关系曲线图。计算结果表明:集热器的瞬时效率受冷却水进口温度、吸热板材料和厚度、热管之间的间距以及冷凝段长度的第一章绪论影响很大;随进口冷却水温度的增加、热管外径的减小、热管间距与热管外径之比减小,集热器瞬时效率的降低。.等】对用于平板式太阳能集热器的重力热管在倾斜放置下的冷凝段内部层流膜状凝结换热进行了理论研究,对热

42、管冷凝段液膜建立二维稳态能量、质量和动量平衡方程,采用有限差分法对方程组进行离散,结合边界条件通过程序计算得到不同参数下的冷凝段平均传热系数,最后拟合出平均传热系数与各个参数之间的关联式。通过理论分析发现,倾斜角度、冷凝段长度与外径之比对倾斜放置下的重力熟管冷凝段传热系数影响很大;运用拟合出的平均传热系数关联式计算出的冷凝段传热系数与其他文献中的试验值吻合较好;与其他文献的计算式相比较,该拟公式更为准确,在倾斜角度为。之间有效。.等【】设计了一种热管型太阳能集热器,并对该集热器进行了理论研究,分别对玻璃盖板、吸热管和热管冷凝段的水夹套建立了能量平衡方程式以分析这几部分的传热过程以及三者之间传热

43、的相互影响关系。通过计算机编程解上述方程,以预测该集热器的集热效率。通过计算结果分析,集热效率与太阳直射辐射强度、环境温度、冷却水入口温度和质量流量有关。.首先对热管型平板太阳能集热器做了如下假设:忽略热管的轴向温度梯度;假设水夹套内流体能吸收所有热管蒸发段传递的热量;假设集热器与环境之间的热损失系数为常数;忽略水夹套与环境之间的散热损失。在此基础上建立了以各个几何参数、环境参数为边界条件的稳态模型,分别计算了蒸发段和冷凝段的传热热阻,首先对单根热管进行了传热分析,在此基础上再对集热器中有刀根热管的情况进行了传热计算,理论计算结果表明:冷凝段与吸热管长度的比越理想,则集热器获得有用能越多;模型

44、可以用来预测集热器工作流体的出口温度、集热效率和集热器获得有用能。陶汉中】针对用于太阳能热水系统的热虹吸管冷凝段内流动和传热的特殊性,考虑了倾斜角度和界面剪切力对冷凝液膜的影响,建立了热虹吸管在倾斜状态下冷凝段流动和传热的理论模型。根据动量守恒方程和膜状凝结理论,得到液膜厚度的一阶偏微分方程,然后采用向后差分迭代求解方程。计算结果表明:考虑剪切力的影响计算得到的液膜厚度大于不考虑剪切力的,且液膜厚度在周向上分布更加均匀;汽液两相界面之间的剪切力沿轴向逐渐增大,在冷凝段出口处达到最大,且沿周向方向随周向角度的增加而减小;当倾斜角度博士学位论文减小时,冷凝段有效传热长度减小;将模型计算得到的传热系

45、数与试验结果对比发现,两者之间吻合较好。用于槽式太阳能集热器的热管理论研究鲜有报道,本文将对用于槽式太阳能集热器的热管传热极限、热阻等进行理论计算和分析。试验研究方面,由两个早在年,等【】设计了一款新型的聚光镜?抛物面聚光镜组成,会聚比为.,将涂有黑铬的铜一水热管应片于该聚光镜中,进行了瞬时效率的试验研究,并与平板式集热器进行了对比,结果表明:热管型集热器在工作与环境温差较低时,由于光学损失影响,集热效率比平板式集热器低,但是在温差较高时,则受光学损失影响较小,集热效率比普通平板式集热器高。.等四将重力辅助热管应用于平板式太阳能集热器,集热器中使用了根长.、外径.的铜一甲醇热管,并对该集热器的

46、瞬时效等】设率进行了试验研究,最大瞬时效率可达.%。计了热管型平板太阳能集热器,采用铜作为热管管壳材料,采用了种热管工质,分别为水、甲醇、丙酮、乙醇;对两项闭式热虹吸管和有吸液芯的两种类型热管在真实太阳光下进行了试验,对热管的轴向温度分布和实时效率进行研究。.等【】设计了一种新型的热虹吸管式平板集热器,聚光面积为.,使用了根长.的铜.水热虹吸管,充液率为%,并存实时工况下进行了试验研究。试验采用了不同的冷却水流量和不同的工作流体进口温度,结果表明:最高的实时效率可达%左右,实时效率的试验值与理论计算值的误差在.%到.%之问,瞬时效率的试验值与理论计算值的误差在.?.%。等【】设计了一种新型的热

47、管式太阳能热水系统,采用了平板式集热板,聚光面积为.×,热管外径为.,采用乙醇作为热管工质,充液量为,热管为重力热管。试验结果表明:最大实时效率为%,热管的轴向均温性较好。.【】设计了一种热虹吸管式平板热水系统,并且在不同的气象条件、不同的初始储水温度下进行了试验研究。试验分两部分进行:第一部分水箱不取水时,水箱里的水温随气象情况和初始储水温度的变化;第二部第一章绪论分对进行水箱取水的情况,水箱的水温随气象情况和初始储水温度的变化情况。试验结果与理论计算值吻合较好。.等设计了一种新型的热管式太阳能和普通锅炉混合的集热系统,该系统包括热管式太阳能集热器、透平、锅炉、冷却器和泵。等【将两

48、相闭式热虹吸管用于平板太阳能热水系统,并进行了传热性能的试验研究。集热器聚光面积为.,热管管壳为铜,使用三种工质,分别为:,。对三种不同工质的集热器效率和集热器水温进行了测试。试验结果表明:热管能迅速启动,集热器具有较高的实时效率。.等】分别对两种热虹吸管集热器进行试,试验中采用三种热水集热系统测试方法,分别得到了瞬时效率曲线、热损失系数、全天收集到的太阳能,并对三种测试方法下的试验结果进行了对比,第三种测方法得到的热损失系数较低。作为.等例将振荡热管应用于平板集热器中,采用热管的工质,平板集热器聚光面积为.。试验结果表明:集热器集热效率可达%,并且具有结构简单、冬季使用可以防结冻等优点。等四

49、设计了热管式真空管太阳能热水装置,为研究热管式真空管太阳能热水装置的对流传热的规律进行了试验研究。采用了聚光面积,根热管式真空管,热管冷凝段通过上升管与的贮水容器连接,采用、电加热功率模拟三种太阳辐射强度、 /,并选择了正午的稳态时刻进行了室外试验,并将室外试验与室内试验的结果进行了对比;热管冷凝段向外界环境的对流散热主要取决于数。丁莉等将钠热管用于碟式太阳能接收器中,热管总长,管外径为,采用形沟槽与厚丝径 的金属毡复合吸液芯。对这种聚光镜方式受热方式下热管的启动性能进行了模拟实验,试验结果表明:输入功率越小,启动时间越长;启动时间与倾斜角度无关,倾斜角度从。到。,热管蒸汽流动转变温度相同,平

50、衡温度也基本相同。用于槽式太阳能热发电系统的热虹吸管的试验研究较少,本文将对用于槽式太阳能热发电系统预热段碳钢.水热虹吸管的传热性能以及用于槽式太阳能热发电系统饱和蒸汽段、过热蒸汽段的碳钢.萘热虹吸管的启动性能和传热性能进行博十学位论文试验研究。.本课题的研究背景及意义太阳能中高温热利用特别是热发电技术得到了飞速发展,但同时太阳能所具有的低密度、问歇性、空间分布不断变化的特点也给太阳能的利用提出了很高的要求,因此太阳能热利用技术中的各项关键技术的瓶颈急需突破。当前槽式太阳能热发电系统中接收器的开发面临着许多难以解决的问题,如集热器中接收器在高热流密度、交变热荷载条件下周向温差过大出现可靠性下降甚至失效等情况在很大程度上制约了技术的发展。本文的研究将针对集热器的可靠性进行开发,将进一步拓展热管型集热器的开发应用研究领域。本课题的研究为国家课题“中高温太阳能热管接收器的开发与研制”的一部分,课题在跟踪国际太阳能热利用技术最新发展动态的前提下,开发具有完全自主知识产权的、适用于槽式太阳能热发电系统的关键部件?热管型太阳能集热器和中温热管接收器玻璃金属密封结构,填补国内空白,以期大幅缩短