太陽能碟式-堿金屬熱電轉換系統(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)電技術已成為最有前途和最具挑戰(zhàn)的技術之一。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。一方面，傳統(tǒng)的以碟式/斯特林發(fā)電機等形式來實現熱電轉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換的關鍵

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，但由于機理復雜，計算難度大，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和難點，也是當前太陽能領域的熱點前沿課題。
　　 本文在大量文獻調研和比較性研究的基礎上，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/堿金屬熱電轉換系統(tǒng)和一種能夠實現等溫光熱轉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，采用三維數值模擬方法研究了熱管式吸熱器

3、在有/無環(huán)境風條件下，其內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參數，如采光口的位置和大小、腔體的深徑比、傾角、壁溫以及環(huán)境風對熱管式吸熱器的自然或自然.強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)境風條件下對流熱損失特性的差異，揭示了環(huán)境風對吸熱器對流熱損失的影響規(guī)律以及由環(huán)境風引起的強制對流和腔體內自然對流的耦合特征。相應地，提出用于預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

4、關系式，并與已有模型進行比較。然后，根據數值計算結果，對太陽能碟式/堿金屬熱電轉換系統(tǒng)的整體熱-電轉換性能進行評價，并詳細討論了其性能與各種參數之間的關系。最后，通過建立圓柱形腔式吸熱器熱損失特性實驗臺，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)設計和性能提高提供科學依據。所得主要結果如下：
　　 ①對于熱管

5、式吸熱器在無風環(huán)境下的自然對流熱損失，采用三維數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，數值結果與實驗結果更吻合；同時，吸熱器自然對流熱損失和對流換熱系數隨腔體壁面溫度的升高而增大，而對流換熱Nusselt數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，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。當吸熱器腔體的深徑比減小時，腔體內部的對流區(qū)域和空氣流速都增大，從而導致自然

6、對流熱損失增大。同時，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，實驗研究發(fā)現：當輸入熱功率不變時，吸熱器的自然對流熱損失隨著傾角的增大而減小，導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環(huán)境下的自然.強制混合對流熱損失，采用三維數值模擬方法研究表明：區(qū)別于無風環(huán)境下吸熱器自然對流熱損失隨傾角增加而單調減小的規(guī)律，在有風環(huán)境下，太陽能吸熱器混合對流熱損失同時受到環(huán)境風和傾角的共同影響，且規(guī)律較為復雜。在某些環(huán)境風條件下，吸熱器的混合對流熱損失甚至小于無風環(huán)境下的自然對流熱損失，且存在臨界風速使混合對流熱損失達到極小值。此外，當風速不斷增加時，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/堿金屬熱電轉換系統(tǒng)的整體熱-電轉換性能，理論計算表明：太陽能碟式/堿金屬熱電轉換系統(tǒng)在有風環(huán)境下的整體熱-電轉換效率隨運行溫度的變化規(guī)律與無風環(huán)境下的情形非常相似。所不同的是，在無風環(huán)境下，太陽能碟式/堿金屬熱電轉換系統(tǒng)的熱-電轉換效率峰值為20.7％；而在有風環(huán)境下，系統(tǒng)的熱-電轉換效率峰值降為19.0％。此外，太陽能碟式/堿金屬熱電轉換系統(tǒng)的熱.電轉換效率隨著風速的