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摘 要
本课题研究的是太阳能热发电系统的核心部件——集热器，通过对已有的碟式集热器进行创新型改善，提高其热效率。也就是在已有的碟式集热器底部位置附加一种双曲面体，并在焦点位置换成含有反射作用的双曲面，吸热器改终究部接受太阳能。同时，运用组合式圆锥曲面的几何光学特性及涡动力学的有关理论，对原有及改善型集热器效率进行理论估算，并提出了验证明验，与原有集热器性能进行对比。最后指出了文章局限性之处，提出对组合式圆锥曲面构造进一步研究的展望。
核心词：太阳能集热器，碟式，双曲面
Conical Surface Combined Type Solar Energy Collector Research
ABSTRACT
This topic is the key to solar thermal power system components - collector, through the existing disc collector for innovative improvements to enhance the thermal efficiency. That is the existing position of the bottom disc collector attached to a hyperboloid body, and focus position into a reflex of the hyperboloid, the Ministry of heat sinks change in the end to receive solar energy. At the same time, the use of combined cone surface geometry and optical properties of the theory of vortex dynamics, the original collector efficiency and improved theoretical estimates, and proposed a verification experiment, and compare the performance of the original collector. Finally, the article pointed out the inadequacies of the structure made of composite conical surface for further study prospects.
KEY WORDS:solar collector , dish type，hyperboloid
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
1 绪论 1
太阳能的运用及其发展趋势 1
太阳能概念 1
太阳能的运用 1
太阳能运用的类型 1
太阳能发展趋势 2
现在太阳能光热发电技术 2
太阳能集热器、吸热器的定义与分类 5
太阳能热发电的重要问题及本文的研究意义 7
太阳能热发电的重要问题 7
本文的研究内容及意义 8
本章小结 8
2 聚光太阳能集热器 9
概述 9
聚光集热器的类型 9
聚光太阳能集热器的基本理论 10
聚光比与集热温度 10
理论聚光比和理论集热温度 12
抛物面聚光集热器 13
聚光器的几何参数 13
聚光集热器的热学分析 15
3 新型集热器的初步设计及计算 17
新型集热器的构造及其可行性分析 17
已有的模型 17
本文采用的改善型集热器 17
方案可行性论证 20
不考虑涡环构造状况下改善后的热性能 24
抛物面聚光比的选用拟定 24
考虑涡环构造后集热器的热性能 28
涡环的形成 28
涡环构造的优越性 29
本章小结 34
4 新型集热器性能的模拟计算 35
太阳能热发电系统的具体构造参数设计 35
新型集热器的功率、效率对比验证模拟计算 38
涡环构造对吸热器吸热效率的作用 42
本章小结 42
5 总结与展望 43
重要内容回忆 43
研究成果 43
研究展望 43
致 谢 45
参 考 文 献 46
1 绪论
太阳能的运用及其发展趋势
太阳能概念
太阳能是太阳内部由“氢”聚变成“氦”的原子核反映产生的能量。太阳的核聚变可维持上百亿年，而地球尚可生存数十亿年，因此说运用太阳能的时间是无限的。太阳辐射到地球表面的太阳能量其功率为80万亿千瓦，每秒钟照射到地球上的，就相称于燃烧500万吨煤释放的热量。广义能量太阳能是地球上许多能量的来源，如风能、化学能、水的势能等。狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。
人类运用大阳能已有三千数年的历史。将太阳能作为一种能源和动力加以运用，则只有三百年的历史。近代太阳能运用历史能够从16法国工程师发明第一台运用太阳加热空气使其膨胀做功而抽水的机器。三百年来，运用太阳能的研究和使用历经坎坷，重要因素是技术尚不成熟，并且投资大，效果不抱负，难以与常规能源竞争，因而得不到公众、公司和政府的重视与支持。
太阳能的运用
太阳能是一种干净的新能源，应用太阳能不会引发大气污染，也不会影响生态平衡。与煤炭、石油等常规能源相比，它含有下列特点：
1）太阳能是地球上最重要的能源，到处都有太阳能，不需要运输，用一定的设备就能够就地应用，这对于边远地区，有更实际的意义。
2）太阳能是人类能够运用的最丰富的能源。据估算，在过去漫长的11亿年中，太阳只消耗了它本身能量的2%。太阳是一种火热的球体，它将源源不停的将能量辐射到地球上。
3）即使达成地球的太阳能量非常巨大，但这种能量分散，是一种低密度的间断性能源，要采集到足够功率的能源，收集装置面积必须大，因而造价高。但这是临时性的，能够通过提高收集效率和采用便宜材料的办法来克服这些问题。
4）太阳能的采集受气候、昼夜的影响较大。采集量极不稳定，因此必须有储能装置，以提高其热能采集及应用系统的稳定性。
太阳能运用的类型
有关太阳能的运用有诸多个分类，但较权威的普通吧太阳能的运用分为3种形式：(1)转化为电能，涉及太阳能光伏发电( 通过半导体光伏电池直接把太阳辐射能转化为电能 )和太阳能光热发电( 将太阳能转化为热能,然后运用热力循环的办法带动发电机发电)；(2)转化为热能，涉及太阳能灶，太阳能温室，太阳能空调，海水淡化，太阳能建筑等；(3)转化为化学能，涉及光合作用，能源植物，太阳能制氢等。其中，太阳能热发电重要涉及两大类型：太阳能间接发电，即太阳能通过热机带动常规发动机发电；太阳能直接发电，太阳能运用半导体或金属材料的温差发电、真空器件的热电子和热离子发电等。前者已有一百数年的发展历史，而后者尚处在原理性实验阶段。普通所说的天阳能热发电技术重要指太阳能间接发电。本文仅研究太阳能间接光热发电技术。
太阳能发展趋势
在煤炭、石油、天然气等常规能源日益减少,而人类对能源的需求越来越大的状况下,太阳能作为取之不尽、用之不竭、清洁环保的可再生能源,备受各国政府重视。国际太阳能运用技术和产品的日趋成熟,更为太阳能推广运用发明了条件。现在,可持续发展观念被普遍接受,太阳能开发、运用的研究也将掀起热潮。至本世纪中叶,世界范畴内的能源问题、环境问题的最后解决将依靠可再生干净能源特别是太阳能的开发运用,随着越来越多国家的政府和有识之士的重视,太阳能的运用技术也有望在短期内获得较大进展。越来越多的人们开始重视有机薄膜太阳能电池,制作太阳能电池重要是以半导体材料为基础的,其工作原理是运用光电材料吸取光能后发生的光电子转移效应。不管以何种材料来制作电池,对太阳能电池材料普通的规定有:1)半导体材料的禁带不能太宽;2)要有较高的光电转换效率;3)材料本身对环境不造成污染;4)材料便于工业化生产且性能稳定。基于以上几个方面的考虑,硅是最抱负的太阳能电池材料,这也是太阳能电池以硅材料为主的重要因素。但随着新材料的不停出现和有关技术的发展,以其它材料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。
进入21世纪以来,世界各国都十分重视太阳能运用技术的开发,而我国由于得天独厚的地理位置而含有丰富的太阳能资源,我国的年太阳能辐射能量,据预计能达成3 340 ~ 8 400MJ/m2。由此可见,充足开发运用太阳能资源是节省和替代常规能源的有效方法,是实现能源可持续发展战略的必由之路。而根据有关部门的预测,到2050年左右,太阳能将超出石油天然气等其它常规能源的使用规模而成为新能源的典型代表,进而在人类的生产、生活和社会展中扮演重要的角色。
现在太阳能光热发电技术
根据太阳能聚光形式的不同，聚集式太阳能热发电系统普通分为3种：槽式线聚集，塔式定日镜和碟式点聚焦。其中，槽式系统由于是线聚集，普通采用真空管式吸热器。塔式和碟式则是点聚集，普通采用腔式吸热器。
1）槽式太阳能热发电系统
槽式太阳能热发电系统是运用槽形抛物面反射镜将太阳光线聚焦到集热器上，对传热工质进行加热，经换热产生的蒸汽推动汽轮机带动发电机发电的能源动力系统。其特点是聚光集热器由许多分散布置的槽形抛物面聚光集热器串、并联构成，如图
1所示。槽式太阳能热发电系统分为2种形式：传热工质在各个分散的聚光集热器中被加热形成蒸汽汇聚到汽轮机，称之为单回路系统，如图1-1a所示；传热工质在各个分散的聚光集热器中被加热汇聚到热交换器，经换热器再把热量传递给汽轮机回路，称之为双回路系统，如图1-1b所示：
图1-1 槽式太阳能热发电系统工作图
太阳能槽式发电系统是最早实现商业化的太阳能光热发电系统，它采用大面积的单轴槽式太阳能追踪采光板，通过对太阳光的聚焦，把太阳光聚集到安装在抛物线形反光镜焦点上的线形接受器上，并加热流过接受器的热传导液，使热传导液汽化，同时在能量区的热转换设备中产生高压、过热的蒸汽，然后送入常规的蒸汽涡轮发电机内进行发电。普通接受太阳光的采光板采用模块化布局，许多采光板通过串并联的放置，均匀的分布在南北轴线方向。槽式抛物面对太阳辐射多进行一维跟踪(如设备轴线南北方向布置，东西方向旋转跟踪)，其几何聚光比为10-100之间，温度可达400℃左右。普通地，系统由聚光集热装置、蓄热装置、热机发电装置或和辅助能源装置(如锅炉)等构成。
2）塔式太阳能热发电系统
塔式太阳热发电系统也称为集中式太阳能热发电系统，它运用定日镜跟踪太阳，并将太阳光聚焦在中心吸热塔顶部的吸热器上，在那里将聚焦的辐射能转变成热能，然后将热能传递给热力循环的工质，再驱动热机做功发电。塔式太阳热发电系统普通可达成的聚光比为1000-3000，运行温度可达500-2000℃。位于美国加州的Barstow地区的塔式太阳热发电系统，运行于1982——1988年之间，是当时世界上最大的验证第一代塔式发电技术的太阳能电站，设计容量为10MW。它由跟踪太阳光的定日镜、吸热器、蒸汽发生器、热量储存系统以及热机单元等构成。由平面镜、跟踪机构、支架等构成的定日镜阵列，可由微解决机控制实现最佳聚焦，始终对准太阳捕获并聚集太阳辐射能，并把入射光投射到吸热塔顶端的吸热器上，再通过吸热器把热力循环的工质加热至较高温度;储存系统把部分热能储藏起来备用、以平衡系统能量供需;而热机单元实现热转功的功效，把太阳能转换为电能输出。吸热器中通入205℃的水，直接产生516℃、101bar的过热蒸汽，进入非再热的汽轮机膨胀做功，过热蒸汽也能够送入蓄热系统进行能量的存储，满足动力系统的启停和机组在夜晚时的用汽需求。如果规定在阴雨天和夜间也能正常发电，能够增加适宜的常规燃料作为辅助能源的辅助能源子系统，以形成太阳能和化石燃料综合互补的多能源发电系统。另外不难看出，塔式太阳能热发电系统和槽式的系统相比，除聚光集热器有所不同之外，两者在系统构成和工作原理等方面都基本相似。
塔式太阳能热发电系统与槽式太阳能热发电系统相比，其集热温度更高，易生产高参数蒸汽，因此，热动装置的效率对应提高。现在，塔式太阳能热发电系统的重要障碍是当定日镜场的集热功率增大时，即单塔的太阳能热发电系统大型化后，定日镜场的集热效率随之减少。针对上述问题，国外学者提出多塔的定日镜场形式，我国学者提出了槽塔结合的双级蓄热太阳能热发电系统，这些研究为塔式太阳能热发电技术的发展开拓了新方向。
3）碟式太阳能热发电系统
碟式系统也称之为盘式系统，重要特性是采用盘状抛物面镜聚光集热器，其构造从外形上看类似于大型抛物面雷达天线。由于盘状抛物面镜是一种吸热器接受的热量的聚焦集热器，其聚光比能够高达数百到数千，因而能够产生非常高的温度。另外，还能够采用混合动力的碟式太阳能热发电系统，采用燃料和太阳能互补的形式来发电。这种系统能够作为无电边远地区的小型电源独立运行，功率为l0～25kW，聚光镜直径约10～15m。碟式太阳能热发电系统也能够做成较大的系统，即能够将多台装置并联起来，构成小型太阳能热发电电站，为顾客提供电力需求。
图1-2 碟式太阳能热发电系统
其中，多个太阳能热发电系统的运行参数、优缺点对比以及投入商业化等状况以下表所示。
表1-1 多个太阳能热发电系统的运行参数、优缺点对比
太阳能集热器、吸热器的定义与分类
太阳能集热器的定义是：吸取太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置。这短短的定义却包含了丰富的含义：第一：太阳能集热器是一种装置；第二：太阳能集热器能够吸取太阳辐射；第三：太阳能能集热器能够产生热能；第四：太阳能集热器能够将热能传递到传热介质。
太阳能集热器即使不是直接面对消费者的终端产品，但是太阳能集热器是构成多个太阳能热运用系统的核心部件。无论是太阳能热水器、太阳灶、主动式太阳房、太阳能温室还是太阳能干燥、太阳能工业加热、太阳能热发电等都离不开太阳能集热器，都是以太阳能集热器作为系统的动力或者核心部件的。
太阳能集热器能够用多个办法进行分类，例如：按传热工质的类型；按进入采光口的太阳辐射与否变化方向；按与否跟踪太阳；按与否有真空空间；按工作温度范畴等。
最常见、实用的分类就是按照进入采光口的太阳辐射与否变化方向分类。这样，太阳能集热器可分为两大类型。
1）非聚光型集热器——对应平板式吸热器。具体的吸热器类型有管板式、翼管式、扁盒式、蛇管式等非聚光型太阳能集热器是进入采光口的太阳辐射不变化方向也不集中射到吸热体上的太阳集热器。
2）聚光型集热器——聚光型集热器是运用反射器、透镜或其它光学器件将进入采光口的太阳辐射变化方向并聚集到吸热体上的太阳能集热器。对于聚光型集热器，以上分类还能够进一步细分。能够有下列几个办法对其进行分类。
a）按聚光与否成像，分为：成像集热器和非成像集热器——未讨论具体的聚焦方式，吸热器类型待定。
b）按聚焦方式，分为：线聚焦集热器：线聚焦集热器是使太阳能辐射汇聚到一种
平面上并形成一条焦线（或焦带）的聚光集热器——对应真空管式吸热器；点聚焦集热器：点聚焦集热器是使太阳辐射基本上汇聚到一种焦点（或焦斑）的聚光型集热器
——对应腔式吸热器。
c）按反射器的类型，分为：槽型抛物面集热器：又称为抛物槽集热器，它是通过
一种含有抛物线横截面的槽型反射器来聚焦太阳辐射的线聚焦集热器——对应真空管式吸热器；旋转抛物面集热器：又称为抛物盘集热器，它是通过一种由抛物线旋转而成的盘形反射器来聚焦太阳辐射的点聚焦集热器。其它聚光型集热器，常见有：复合抛物面集热器：又称为CPC集热器，它是运用若干块抛物面镜构成的反射器来会聚太阳辐射的非成像集热器——对应真空管式吸热器；多反射平面集热器：多反射平面集热器是运用许多平面反射镜片将太阳辐射聚焦到一小面积或细长带上的聚光型集热器——未讨论具体的聚焦集热方式，吸热器类型待定；菲涅耳集热器：菲涅耳集热器是运用菲涅耳透镜将太阳辐射聚焦到接受器上的聚光型集热器——未讨论具体的集热方式。
对集热器分类的介绍就到此为止。鉴于本文研究内容及吸热器在集热器中的重要性，我们来重点分析一下吸热器。
如上所述，在太阳能热能转换装置中，吸热装置负责吸取太阳辐射并转化为热能，因此提高吸取器对太阳短波辐射的吸取能力以及减少吸取器和环境的散热能够有效地提高集热器、吸热器的效率。鉴于本文中采用的吸热器是碟式双轴跟踪系统中的腔式吸热器，故本文只介绍聚光型太阳能热发电系统对应的吸热器，具体分析腔式吸热器。
现在的太阳能热发电技术重要是采用聚光型太阳能热发电技术。聚光型太阳能热发电技术是运用多个聚光装置将低能流密度的太阳光能聚集放大，投射到吸热器上，再进行能量转换运用。最惯用的聚光型发电技术重要有三种:抛物槽式、塔式和碟式。其中，点聚集集热的热发电系统有塔式系统、碟式（盘式）系统。普通采用腔式吸热器；线聚集集热的系统有槽式系统。普通采用直通的真空管式吸热器。下面来具体介绍。
1） 线聚焦型吸热器。槽式太阳能热发电系统采用的是线聚焦型聚光方式。普通采用的是真空管式吸热器。
有关真空管式吸热器，它是一种由表面镀有太阳选择性膜层的钢管及玻璃外套管构成的吸热器，钢管与套管之间为真空，以减少对流和传导热损失。具体可见图1-3。
真空管吸热器的优点为：吸热管中无对流损失，有选择性涂层，对阳光的吸取率很高，而其在工作温度下的发射率很低。
其缺点为：为保持长久高真空及选择性涂层的稳定性，工艺复杂，成本高，较大的流通断面造成工作流体的雷诺数较低，即从管壁至流体的换热系数较低，加之吸热管上的热密度大，故造成管壁与工作流体的温差加大，增大了热损失。