太阳能驱动有机朗肯循环集热器与系统性能研究

【摘要】：世界能源总体发展趋势要求我们更多的使用绿色环保的可再生能源,太阳能作为重要的可再生能源具有广阔的发展前景。太阳能有机朗肯循环系统可以利用中低温太阳能进行发电,在太阳能的利用中具有独特的优势。目前针对太阳能有机朗肯循环系统的研究主要是针对有机朗肯循环的研究,针对适用于太阳能有机朗肯循环系统的集热器的研究很少。本文根据有机朗肯循环特点选择槽式太阳能集热器作为太阳能有机朗肯循环系统的集热器,针对槽式太阳能集热器的光学与传热性能进行了分析研究,并结合有机朗肯循环系统,研究集热器相关参数对太阳能有机朗肯循环系统的影响。论文主要研究内容、成果和结论包括以下五个方面：1、建立了太阳直射辐射计算模型、槽式太阳能集热器光学效率计算模型,并通过VB语言编写程序,实现太阳直射辐射强度和槽式太阳能集热器光学效率的计算；建立了槽式太阳能集热器的传热计算模型。2、设计计算了一套集热量在100kW左右的槽式太阳能集热器。3、建立槽式太阳能集热器聚光模型,采用SOLTRACE软件模拟研究了槽式太阳能集热器的聚光特性,得到集热管金属吸热管表面热流密度分布特性。4、建立槽式太阳能集热器集热管的计算模型,采用FLUENT软件对表面热流密度分布不均匀的集热管进行数值模拟。模拟发现,集热器集热效率随太阳直射辐射强度(DNI)增加、空气温度升高、流体进口速度增大而增大,随环境风速增大、流体进口温度升高而减小,其中空气温度和环境风速对效率影响较小。集热管内流体温升随DNI增加而增大,随流体进口速度增大而减小,空气温度、风速、流体进口温度对其影响较小。管内压损随流体进口速度增大而增大,随DNI增加、流体进口温度升高而减小,空气温度和风速对其影响很小。吸热管表面最大温差随DNI增加而增大,随流体进口速度增大而减小,随进口温度升高先增大后减小,空气温度和风速对其影响很小。玻璃套管表面最大温差随DNI增加、流体进口温度升高而增大,随风速增大、空气温度升高、进口速度增大而减小,其中空气温度对其影响较小。针对低流速下吸热管表面温差过大的问题,提出三种适用于太阳能有机朗肯循环系统槽式太阳能集热器结构优化的方法。5、设计了一套槽式太阳能有机朗肯循环发电系统,建立了有机朗肯循环系统的数学模型,对槽式太阳能有机朗肯循环发电系统进行模拟。模拟发现,系统整体效率和膨胀机输出功随DNI增加、流体进口温度升高而增大,随进口速度增大而减小。当集热器进出口温度固定时,系统存在最佳流速,最佳流速与DNI和进口温度都有关,当系统工况从DNI=450W/m2,Tin=100℃变化到DNI=900W/m2, Tin=150℃时,最佳流速从1m/s变化到1.2～1.4m/s。

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