抛物面式太阳能聚能系统聚光特性模拟

结合集热器的光学特性,本文应用蒙特卡罗法对理想的槽型和碟型两种抛物面集热器在不同焦距、不同边缘角时焦面上的热流密度进行了计算,获得了焦距、边缘角和聚光比之间的关系。在考虑太阳不平行度、跟踪指向误差、镜面的反射误差条件下,对碟型抛物面太阳能聚能系统的辐射特性进行了数值模拟分析,获得了吸收器壁面热流分布以及边缘角对焦面热流分布的影响,为太阳能聚能系统的设计和安装提供参考依据。     

基于结构特征及镜面单元安装误差的碟式聚光器聚焦分析

提出了一种外域包络和网格识别的光线追踪离散方法。将镜面单元安装误差等效为刚体的空间旋转运动,基于光线追踪法推导了引入安装误差后的镜面反射聚光模型,同时结合镜面面型误差以及跟踪误差等影响因素,建立了更为全面的聚焦能流分布数学模型。编制了Matlab程序,在验证数学模型正确性的基础上,以25kW聚光器为对象分析了结构特征及尺寸、镜面单元安装误差等对焦平面能流分布的影响。结果表明,镜面单元安装误差对聚焦能流密度峰值及分布特征影响显著,而结构特征及尺寸对其影响较弱,可适当增大透风间隙来改善抗风性能。所建立的数学模型能为聚光器镜面单元安装以及吸热器匹配设计等提供参考。     

基于相同参数抛物镜面旋转阵列的太阳能槽式聚光器聚焦特性研究

提出了一种基于相同抛物镜面单元旋转阵列的低成本新型槽式聚光器。采用光线跟踪方法建立了该聚光器的光学分析模型,并详细研究了镜面焦距（f）、镜面宽度、平面接收器位置、旋转阵列半径（R₁）和旋转阵列数量（N）等关键参数对其聚光性能的影响规律,为其设计与应用提供了重要依据。研究结果表明：新型槽式聚光器能很好地汇聚太阳光能,并且它不同于传统抛物槽式聚光器将平行光汇聚于某点,而是有所“分散”地进行汇聚,具备实现平面接收器上均匀聚焦能流分布的潜力;聚焦光斑的合理接收位置会随旋转阵列半径的改变而变化,通常接收器位于旋转阵列半径的一半位置是合适的,但要获得最小聚焦光斑则需将其下移150～200 mm;聚焦光斑宽度随镜面编号呈指数增大关系,特别是当镜面宽度较大且旋转阵列半径较小时;旋转阵列半径越大或镜面宽度越小,聚焦能流分布越集中且峰值聚光比越大（算例中已达到50）,此时聚焦能流基本呈高斯分布特征。此外,采用较小旋转阵列半径可降低接收器的安装高度并改善能流均匀性。在算例中,当f=8000 mm、R₁=4000 mm、N=5且接收器位于1830 mm位置时,聚焦光...     

轮胎面定日镜焦平面处热流分布的数值模拟

本文使用蒙特卡洛方法对新型轮胎面太阳能聚能器的焦面特性进行了数值模拟计算,计算了当入射面积增大时焦平面处的热流分布变化,之后计算了考虑太阳不平行度时,在不同的镜面指向误差、系统跟踪误差等因素的影响下,接收面积为1 m ×1m的聚能器在其焦平面处的热流分布变化.     

碟式聚光器镜面单元聚焦光斑与位姿误差的关联特性

为实现碟式聚光器镜面单元调焦的定量指导,需要建立镜面单元空间位姿与聚焦光斑特征的唯一定量对应关系。提出以镜面单元旋转和平移运动的组合等效引入位姿误差,基于光线跟踪方法建立位姿误差工况的聚焦光斑分布模型,引入聚光比阈值来提取聚焦光斑的特征边界,并采用最小二乘法对特征边界进行椭圆拟合,用于表征聚焦光斑的分布特征。分析了太阳直射辐照值、边界提取阈值、镜面单元位姿误差等对聚焦光斑特征的影响。结果表明,镜面单元位姿误差工况不同时,聚焦光斑的椭圆几何特征具有明显可区分性,用于镜面单元位姿反演具有可行性,为镜面单元调焦系统的搭建提供了参考。     

太阳能腔式吸热器表面反射率的选择

由于开口处阳光能流密度的不均匀分布以及阳光的单侧投射使得太阳能腔式吸热器内部吸热管表面的热流密度分布呈现出高度得不均匀性,严重影响吸热器运行的安全可靠性。采用建立的耦合计算模型对一个饱和蒸汽太阳能腔式吸热器的热性能进行了数值模拟,提出了一种沸腾管表面反射率的优化分布方式,从而改善了吸热器内部沸腾管表面热流密度和温度分布的不均匀性.     

太阳能热声发动机的设计与性能仿真

太阳能聚焦集热器与热声发动机的结合能够成为一种新型的具有广阔应用前景的动力系统,本文建设完成了太阳能驱动热声发动机并对热声发动机性能进行了仿真研究.基于Simulink开发了双轴自动跟踪太阳能集热器的性能仿真程序,并基于自行测量的太阳辐射数据对聚焦式太阳能集热器的热力性能进行了仿真计算.利用太阳能集热器仿真程序的计算结果与热声仿真程序Deltae进行耦合计算,对已经建设完成的太阳能热声发动机的热力性能进行了仿真模拟.仿真结果对于后续实验工作提供了参考依据.     

双轴跟踪槽式聚光器的焦面能流测试与聚光特性

基于双轴跟踪槽式聚光系统设计了焦面能流密度测试装置,采用理论分析和实验测试的方法对由接收器的定位误差和跟踪误差引起的聚焦损失进行研究,并通过采集因子量化光学损失,从而揭示出各种误差影响的规律。结果表明:随着定位误差的增大,焦面宽度增加,焦面能流密度降低且趋于均匀;随着跟踪误差角的增大,焦面中心偏移量和光学损失增加。对于实验使用的双轴跟踪槽式聚光系统,当接收器光孔宽度为50 mm时,若要保证采集因子大于90%,接收器的定位误差需保证在455 mm的±1.1%之间且跟踪误差角小于0.111°,此时采集因子可达95%。采集因子对跟踪误差角的变化更为敏感,实验研究结果与理论分析结果吻合,验证了测试设备和方法的可靠性,实验拟合的函数关系可为工程应用提供了理论指导。     

线性菲涅尔太阳能系统光学性能研究与优化

为研究与优化线性菲涅尔太阳能系统的光学性能,本文采用蒙特卡罗光线追迹法(MCRT)自编程建立了整个系统的三维光学模型。基于此,分析了不同反射镜型式、瞄准位置、形面误差以及地理位置等对系统光学性能的影响规律,优化了反射镜几何参数与瞄准位置。结果表明,不同镜面型式下系统性能均存在最优值,此时圆柱面与抛物面镜光学性能几乎一样。对于吸热管热流分布,可通过优化设计反射镜瞄准线来提高热流分布均匀性,一定的形面误差也会改善其均匀性。在地理上,该系统在北纬20°~50°的范围内年均光学效率在52%~37%之间,可在我国大部分地区应用。     

多曲面复合聚焦槽式太阳能集热器的研究

对一种多曲面复合聚焦槽式太阳能聚光集热器进行了理论与实验研究,介绍了其工作原理,对其重要的设计参数进行了计算和优化,给出了大致的取值范围.该新型槽式聚光集热器能够利用多曲面组合实现对太阳光反射聚焦,并具有在反射面上不留阴影、改善高温太阳能接收器的工作性能.实验表明,装置在低温段运行效率在45%以上.在高温段(≥80℃)...     

新型线聚焦菲涅耳透镜设计及其聚光特性研究

聚光光伏系统中电池表面热流密度分布不均匀导致系统光电转换效率降低,同时出现局部过热问题,严重影响了光伏电池系统的效率。为了解决这一问题,本文设计了一种可以使太阳投射辐射能量均匀化分布于接收面的新型线聚焦菲涅耳透镜,并运用蒙特卡罗光线追迹法对常见的菲涅耳透镜及本文设计新型线聚焦菲涅耳透镜的聚光特性进行了对比研究。模拟结果表明,新型透镜极大地改善了电池表面热流分布的均匀性。针对新型透镜聚光特性,考察了不同设计接受面宽度、太阳光不平行灾角、入射光束波长、入射光倾角及电池位置等因素对电池表面热流密度分布的影响。     

槽式太阳能集热器集热性能分析

本文运用蒙特卡罗光线追踪法(MCRT)模拟了抛物槽式系统聚光特性,并与计算流体与传热有限容积方法(FVM)结合,进一步研究了吸热管内耦合传热过程.聚光特性分析中考察了光不平行夹角、几何聚光比和边界角对太阳热流密度分布的影响;耦合传热模拟中考虑了液体油热物性随温度的变化以及吸收管外管壁辐射换热.模拟计算表明;模拟计算结果与文献数据对比符合较好,验证了计算方法与模拟程序的正确性.光不平行夹角主要对热流密度圆周方向分布产生影响,使其分布平缓,对热流密度轴向分布影响不大;随着几何聚光比的增大,太阳热流衰减区的角度跨度增大;随着边界角的增大,热流密度圆周分布曲线向圆周角90°方向平移,同时热流密度极大值降低.在太阳直射强度大致相同情况下,入口流速与入口温度对接收管表面对流换热与最大温差影响很大;同时变物性对流体对流换热影响也较大.     

超临界压力CO2在非均匀加热竖直管内的换热特性研究

基于工程中存在的非均匀热流问题,针对四种非均匀热流条件下超临界压力CO₂在竖直管内的流动换热特性进行了数值研究,分析了热流密度、质量流量、浮力效应和排布方式对流动换热性能以及圆管表面温度分布的影响。超临界压力CO₂在非均匀热流条件下表现更为复杂的流动换热特性,轴向热流密度分布不均匀会使传热恶化,增大热流密度和减小雷诺数可以弱化传热恶化效应;热流分布不均时,Bo^*比■/Re2.7更能准确地预测浮力效应;在非均匀热流条件下,竖直向下流动比竖直向上流动表现出更好的传热性能,径向速度和湍流动能分布可以较好地解释传热恶化的产生机理。本文对于光热、锅炉等非均匀热流条件下的工程应用具有一定的指导意义。     

槽式太阳能集热器热性能测定新方法实验研究

集热器是槽式太阳能热发电系统吸收传输高热流密度太阳辐射能的核心部件。针对传统测定方法的不足,本文提出了一种测定槽式太阳能集热器热性能的直接电流加热DCH法。该法根据金属导体的焦耳效应,将吸热器金属管作为负载电阻,借助大电流电源对吸热器通电加热,集热器达到热平衡后流过吸热器的电流和被测段两端电压的乘积为集热器在该吸热器与环境温差下的热损失。基于DCH法的实验系统结构简单、制造成本低、操作方便,比传统方法的测量速度提高了5倍以上。实验结果与文献对比表明该测量的实验数据不确定度低,热损失曲线质量较好,实验结果精度高,显示了DCH法的可行性和可靠性。     

槽式集热器吸热管外混合对流换热数值模拟

本文总结了太阳能抛物槽式集热器吸热器玻璃管外对流换热的影响因素.在Shiraz 250 kW槽式太阳能热发电系统集热器结构基础上,采用最佳口径比,设计了几种结构参数不同且具有典型意义的集热器;并对所设计不同集热器结构及位置因素影响下的吸热管外混合对流换热进行了数值模拟.模拟结果表明:吸热管外混合对流平均换热热损失随集热器距地距离增大而增大,但增幅越来越小;随集热器两半反射器间间距增大而减小.而不同结构参数下混合对流换热热损失,主要受到风流在不同运行方位下由于集热器阻滞所形成的风流压力场及速度场的影响,且随结构参数呈一定趋势变化.在此基础上进一步可研究吸热器复杂耦合传热过程.     

槽式太阳能集热系统的实验研究

本文设计搭建了槽式太阳能集热系统性能测试平台,通过不同工况下的实验测试数据分析了影响槽式太阳能集热系统性能的主要因素;针对槽式集热器的瞬时效率、集热效率及换热器的热损失系数展开了实验测试与分析计算,讨论了工质流量变化对槽式集热系统性能的影响规律。实验结果表明:晴朗天气瞬时集热效率在0.35～0.65范围内变化,换热器热损失系数在1 W/(m~2·℃)以下,研究结果为槽式太阳能集热系统大规模应用提供一定参考价值。     

星载定标黑体午夜太阳辐照模拟实验

为了揭示午夜太阳辐射对三轴稳定卫星光学载荷的定标黑体温度均匀性和定标精度的影响,进行了基于贴片加热电阻外热流模拟方法的真空实验,利用电压变化产生的加热功率模拟复杂的太阳辐照度波动。将实验获取的温度数据与仿真计算结果对照验证,分析了太阳照射过程中黑体温度分布的规律。根据辐射度学理论,对温度不均匀性产生的定标误差进行了理论计算。实验结果显示:在午夜太阳照射过程中,边缘受照的黑体温度分布具有对称性,黑体最高升温幅度为8.8K,最大温度梯度3.1K/m,定标相对误差0.1%。研究表明:太阳辐射会显著影响黑体温度的均匀性,由此产生的定标精度误差不会影响工程应用的要求。     

二极管泵浦Nd:YAG薄片激光器技术研究

固体激光器向高平均功率发展的最大障碍是激光介质的热效应.采用薄片激光介质可以实现热流近一维分布,因而是解决固体激光器热效应的有效手段之一,但许多因素都会影响薄片的一维热分布.对薄片热分布的主要影响因素进行的计算分析表明,在均匀泵浦条件下,泵浦区径向温度的均匀性不仅和泵浦区面积与薄片厚度之比有关,而且和冷却区与泵浦区的相关尺寸有关.采用均匀耦合技术并合理设计薄片的散热冷却结构以实现热流近一维分布,用平均功率336 W的激光二极管阵列泵浦一块NdYAG薄片,获得了平均功率超过120 W的准连续激光输出.     

槽式太阳能有机朗肯循环热发电系统模拟

本文借助TRNSYS软件建立了具有辅助锅炉,无蓄热和回热系统的典型槽式太阳能有机朗肯循环热发电系统,采用西安地区的气象参数作为输入,分析讨论了槽式集热器不同跟踪方式的差异、有机工质和蒸发温度对有机朗肯循环的效率和输出功率的影响、循环冷却水流量与输出功率的关系。模拟结果表明:在全年大部分时期,槽式集热器的南-北轴跟踪效率优于东-西轴跟踪;在相同条件下,采用蒸发温度高的有机工质,系统的输出功率和循环效率较好;对于不同的运行参数,存在一个最佳循环冷却水流量,使系统的净输出功率最大。     

积尘对槽式太阳能聚光器焦面能流密度分布的影响及聚光优化

为研究灰尘对槽式太阳能聚光器光学效率和金属管能流分布的影响,从理论上分析了积尘对聚光器光学效率的影响,对槽式太阳能聚光镜积尘工况进行了模拟,应用蒙特卡罗光线追迹法和有限元体积对抛物槽式集热系统传热进行了分析,得到了金属管周向温差(CTD)和能流密度分布。结果表明,积尘对反射光线方向和金属管壁面能流影响较大,由积尘改变壁面能流密度的分布对CTD有一定影响。针对CTD对抛物槽式集热系统的影响,提出了在常规抛物槽式集热器基础上添加一个二次均光反射镜的方法,二次反射镜的添加使金属管周向能流分布趋于均匀,并使金属管的CTD显著降低,减小了积尘工况对聚光集热系统的影响,这一方法为抛物槽式太阳能聚光系统的优化提供了参考。