太陽能碟式-堿金屬熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中熱管式吸熱器對流熱損失特性研究.pdf

1、由于能源和環(huán)境問題，以及對電力的需求不斷增加，以清潔、可再生能源為資源的太陽能熱發(fā)電技術(shù)已成為最有前途和最具挑戰(zhàn)的技術(shù)之一。太陽能碟式熱發(fā)電系統(tǒng)作為三大太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)(槽式、塔式和碟式)之一，具有高效率，模塊化，自主運(yùn)行，適用于多種能源形式(無論是太陽能或化石燃料，或兩者混合)的優(yōu)點(diǎn)。一方面，傳統(tǒng)的以碟式/斯特林發(fā)電機(jī)等形式來實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換的太陽能碟式熱發(fā)電系統(tǒng)正受到挑戰(zhàn)；另一方面，太陽能碟式熱發(fā)電系統(tǒng)中的吸熱器是太陽能向熱能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵

2、部件，通常存在各種形式的熱損失。其中，對流熱損失是吸熱器能量損失的重要組成部分，但由于機(jī)理復(fù)雜，計(jì)算難度大，是研究太陽能碟式熱發(fā)電系統(tǒng)中吸熱器熱性能的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是當(dāng)前太陽能領(lǐng)域的熱點(diǎn)前沿課題。
　　 本文在大量文獻(xiàn)調(diào)研和比較性研究的基礎(chǔ)上，首先提出一種新的太陽能碟式熱力循環(huán)系統(tǒng)一太陽能碟式/堿金屬熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和一種能夠?qū)崿F(xiàn)等溫光熱轉(zhuǎn)換的太陽能熱管式吸熱器。在此之后，以熱管式吸熱器為對象，采用三維數(shù)值模擬方法研究了熱管式吸熱器

3、在有/無環(huán)境風(fēng)條件下，其內(nèi)部和采光口附近空氣的流動和傳熱特征；在變物性條件下探討了相關(guān)參數(shù)，如采光口的位置和大小、腔體的深徑比、傾角、壁溫以及環(huán)境風(fēng)對熱管式吸熱器的自然或自然.強(qiáng)制混合對流熱損失的影響規(guī)律；比較了熱管式吸熱器在有/無環(huán)境風(fēng)條件下對流熱損失特性的差異，揭示了環(huán)境風(fēng)對吸熱器對流熱損失的影響規(guī)律以及由環(huán)境風(fēng)引起的強(qiáng)制對流和腔體內(nèi)自然對流的耦合特征。相應(yīng)地，提出用于預(yù)測太陽能腔式吸熱器的自然對流和混合對流熱損失的Nusselt數(shù)

4、關(guān)系式，并與已有模型進(jìn)行比較。然后，根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，對太陽能碟式/堿金屬熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的整體熱-電轉(zhuǎn)換性能進(jìn)行評價(jià)，并詳細(xì)討論了其性能與各種參數(shù)之間的關(guān)系。最后，通過建立圓柱形腔式吸熱器熱損失特性實(shí)驗(yàn)臺，采用電加熱的方法，研究了傾角、熱流密度和開口率等參數(shù)對圓柱形腔式吸熱器熱損失的影響。本文一方面可發(fā)展和豐富太陽能吸熱器對流熱損失理論，另一方面為太陽能碟式熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能提高提供科學(xué)依據(jù)。所得主要結(jié)果如下：
　　 ①對于熱管

5、式吸熱器在無風(fēng)環(huán)境下的自然對流熱損失，采用三維數(shù)值模擬方法研究表明：由于考慮了空氣熱物性隨溫度的變化，數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更吻合；同時(shí)，吸熱器自然對流熱損失和對流換熱系數(shù)隨腔體壁面溫度的升高而增大，而對流換熱Nusselt數(shù)隨腔體壁面溫度的升高而減小。采光口位置對吸熱器自然對流熱損失的影響與傾角密切相關(guān)，而采光口大小對吸熱器自然對流熱損失的影響在不同的傾角下類似。當(dāng)吸熱器腔體的深徑比減小時(shí)，腔體內(nèi)部的對流區(qū)域和空氣流速都增大，從而導(dǎo)致自然

6、對流熱損失增大。同時(shí)，定義修正的開口率，用以耦合深徑比和采光口大小的共同影響。此外，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)輸入熱功率不變時(shí)，吸熱器的自然對流熱損失隨著傾角的增大而減小，導(dǎo)熱損失和輻射熱損失隨傾角的增大而增大。與恒壁溫工況下的結(jié)果不同的是，吸熱器在恒熱流工況下，其自然對流熱損失Nusselt數(shù)隨著自然對流熱流密度的增大而緩慢增大，而在恒壁溫邊界條件下，吸熱器自然對流熱損失Nusselt數(shù)隨著壁溫的增大而線性減小。此外，定熱流工況下傾角對輻射熱損

7、失的影響比定壁溫工況略大。
　　 ②對于熱管式吸熱器在有風(fēng)環(huán)境下的自然.強(qiáng)制混合對流熱損失，采用三維數(shù)值模擬方法研究表明：區(qū)別于無風(fēng)環(huán)境下吸熱器自然對流熱損失隨傾角增加而單調(diào)減小的規(guī)律，在有風(fēng)環(huán)境下，太陽能吸熱器混合對流熱損失同時(shí)受到環(huán)境風(fēng)和傾角的共同影響，且規(guī)律較為復(fù)雜。在某些環(huán)境風(fēng)條件下，吸熱器的混合對流熱損失甚至小于無風(fēng)環(huán)境下的自然對流熱損失，且存在臨界風(fēng)速使混合對流熱損失達(dá)到極小值。此外，當(dāng)風(fēng)速不斷增加時(shí)，吸熱器在不同傾

8、角下的混合對流熱損失差異越來越小。
　　 ③對于太陽能碟式/堿金屬熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的整體熱-電轉(zhuǎn)換性能，理論計(jì)算表明：太陽能碟式/堿金屬熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在有風(fēng)環(huán)境下的整體熱-電轉(zhuǎn)換效率隨運(yùn)行溫度的變化規(guī)律與無風(fēng)環(huán)境下的情形非常相似。所不同的是，在無風(fēng)環(huán)境下，太陽能碟式/堿金屬熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的熱-電轉(zhuǎn)換效率峰值為20.7％；而在有風(fēng)環(huán)境下，系統(tǒng)的熱-電轉(zhuǎn)換效率峰值降為19.0％。此外，太陽能碟式/堿金屬熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的熱.電轉(zhuǎn)換效率隨著風(fēng)速的