太阳能两级聚集与高温热转换的光热传输特性研究.pdf

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1、太阳能两级聚集与高温热转换的光热传输特性研究RESEARCHONTWO-STAGECONCENTRATINGOFSOLARENERGYANDHIGHTEMPERATURECONVERSION2012年09月国内图书分类号：TK123国际图书分类号：621.1.016.7工学博士学位论文太阳能两级聚集与高温热转换的光热传输特性研究博士研究生：戴贵龙导师：夏新林教授申请学位级别：工学博士学科、专业：工程热物理所在单位：能源科学与工程学院答辩日期：2012年09月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex：TK123U.D.C.:621.1.016.7Dissertatio

2、nfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONTWO-STAGECONCENTRATINGOFSOLARENERGYANDHIGHTEMPERATURECONVERSIONCandidate:DaiGui-LongSupervisor:Prof.XiaXin-LinAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpeciality:EngineeringThermophysicsAffiliation:SchoolofEnergyScienceandEngineeringDateofDefence:S

3、eptember,2012Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology摘要摘要太阳能高温热转换包括太阳能高倍聚集、光学窗口的聚集能流传输、多孔吸热芯高温转换三个主要的过程环节，涉及光谱辐射定向传输、半透明体辐射－导热耦合传热、多孔介质高温辐射－导热－对流耦合传热问题。研究掌握其光热传输特性对太阳能高温热转换技术的创新发展有重要意义。本文通过理论分析、数值模拟和实验测量相结合的方法，对太阳能高倍聚集系统、光学窗口与多孔吸热芯的光热传输特性进行了研究。首先通过建立多碟聚集器的蒙特卡罗法光路分析模型、编制计算程序、研究聚

4、集能流分布实验测量方法，对十六碟太阳能聚集器进行了光路分析与实验研究，获得了聚集能流分布特性。基于正则化能流分布实验结果，评价了十六碟聚集器的面型误差值，结合数值模拟，分析了跟踪误差对聚集性能的影响。进一步，建立了偏轴聚集器的太阳能束传输模型，模拟分析了其太阳能聚集特性及影响因素。两级聚集是获得高聚光比太阳能流的主要途径，其第二级聚集器接受的太阳光具有强烈的方向和能流密度非均匀性。在碟式聚集器光路分析的研究基础上，通过建立三维CPC（CompoundParabolicConcentrator）的高次非线性曲面对聚集能束传输过程的求解方法、编制计算程序，对三维CPC与单碟聚集器、多碟聚

5、集器构成的两种反射式两级聚集系统的太阳能聚集传输特性进行了数值模拟，分析了面型误差、跟踪误差、接收半角等参数对系统聚集性能的影响。对偏轴聚集器与折射式第二级聚集器构成的两级聚集系统，建立了太阳能光路分析模型，通过模拟计算，分析了面型和跟踪误差及折射式聚集器结构参数对系统聚集性能的影响。石英光学窗口对太阳光和红外辐射具有显著的光谱选择性，其传输能流密度和方向性非均匀的聚集太阳能束时，将产生非均匀的辐射－导热耦合效应。采用蒙特卡罗法模拟石英光学窗口的聚集太阳能束传输过程，并结合有限体积法和谱带模型，求解聚集太阳能束作用下石英窗口内的辐射－导热耦合传热。以十六碟聚集太阳能聚集器为平台，通过

6、建立石英光学窗口的热特性测量装置，获得聚集能束加热下光学窗口的温度分布，验证计算方法与程序的可靠性。在此基础上，分析了石英光学窗口的光热传输特性。为提高石英光学窗口对聚集太阳能束的透过率，采用光学导-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文纳矩阵和遗传算法，根据聚集太阳能束的方向性条件，进行了石英光学窗口的减反射膜系优化设计分析。进一步，建立了平板石英窗口与椭球型等效吸热面组成的聚集太阳能热转换结构模型，通过模拟计算，分析了石英窗口及等效吸热面热转换温度分布对高温辐射散热损失的影响。针对容积式多孔吸热材料的太阳能高温热转换过程，采用大粒子散射相函数结合试验数据计算多孔材料的光谱辐射特性，结

7、合聚集光路分析，基于蒙特卡罗法建立了聚集器与多孔吸热器一体化的太阳能传输过程分析方法。通过模拟计算，获得了十六碟聚集器和石英光学窗口条件下，圆柱状多孔吸热芯内的太阳能吸收分布。在此基础上，采用有限体积法和罗斯兰扩散近似、考虑气体变物性，建立了聚集太阳能入射下多孔吸热芯与气流的辐射－导热－对流耦合传热一维稳态模型，计算分析了利用聚集太阳能产生高温气流的能量转换特性。最后，利用上述研究结果，对太阳能高温热转换应用于热推进的系统方案和性能特点进行了初步探讨。通过