滑移式线性菲涅尔定焦线聚光集热系统光热特性研究

作     者：李浩腾 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄金

授予年度：2022年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：太阳能 聚光集热 光热特性 菲涅尔透镜 腔体式吸收器 

摘      要：基于现有的反射式线聚焦技术尚不能大规模推广至民房的技术困境,本文开发了滑移式定焦线菲涅尔聚光集热系统,该系统采用菲涅尔透镜作为聚光元件,通过一系列设计,该系统整体轻便、紧凑,可有效克服端部损失和余弦效应等光学损失,适用于普通民房/厂房屋顶。本文详细地阐述了系统的构建思路和设计原理,然后基于蒙特卡洛光线追迹法,对所建立的光学模型进了仿真。基于光学模拟的结果,搭建了滑移式线性菲涅尔聚光集热系统以及相关的测试系统,选取数个晴朗日期对系统的集热效率进行了探究。逐步探索了太阳直射辐射强度、腔体表面是否涂覆黑漆、腔体有无透明盖板、工质入口流量对出口温度和集热效率的影响,分析了各实验案例中的光热损失占比,得到的主要结论如下:随着太阳赤纬角的增大,线性菲涅尔透镜的焦线在南北方向以及竖直方向都会产生移动,在太阳赤纬角增大至23.5°时,焦距为650mm的线性菲涅尔透镜焦线竖直上升了98.7mm,水平移动了243mm。本文所设计的滑移调节,可为该系统一年平均减少约10%的光学损耗。系统相对光学效率受腔体内表面吸收率、太阳赤纬角以及太阳时角的影响显著。腔体内表面吸收率越高,相对光学效率越高。太阳赤纬角越大,相对光学效率越低,太阳时角越大,相对光学效率越低。系统光学效率受镜腔距离的影响显著。系统光学效率随着镜腔距离的增大而减小,当内表面吸收率为0.85,镜腔距离为600mm、625mm、650mm、675mm和700mm时,板材三角腔一年内的平均光学效率分别为81.14%、79.17%、74.97%、69.73%和62.77%;对应的管材三角腔一年内的平均光学效率分别为75.98%、71.74%、66.50%、60.39%和54.03%。使用板材构建的三角腔体的光学效率普遍高于使用管材构建的三角腔体。太阳直射辐射强度对集热效率影响较小,但对腔体出口温度影响显著,且呈正相关性。系统腔体铜管表面涂覆黑漆、无盖板时,直射辐射强度为400W时的出口温度为49.6℃,集热效率为30.4%。当直射辐射强度增加至500W时,出口温度53.4℃,集热效率为29.91%。有无黑漆对集热效率影响较大,在其他条件相同时,表面涂覆黑漆的铜管腔体集热效率普遍得到提升。增加透明盖板可以提高光洁铜管腔体的集热效率,但是会减小黑漆铜管的集热效率。流速会影响出口温度以及集热效率,测试太阳直射辐射强度为500W,无透明盖板,带有黑漆铜管腔体的系统,当流速从0.0012kg/s增大至0.002kg/s,平均出口温度由原来约55℃,下跌至约45℃,而集热效率从30.93%上升为32.25%。本文从光学仿真和实验的角度对滑移式定焦线菲涅尔聚光集热系统的光热特性和参数影响进行了系统研究,为新型太阳能聚光系统的设计和优化提供了新思路以及理论支撑。