太陽能光熱光電的高效吸收與傳遞

目錄

《博士后文庫》序言

序

前言

第1章 緒論 1

1.1 研究概述 1

1.2 太陽能熱發(fā)電 2

1.2.1 光熱電站 2

1.2.2 儲熱材料 3

1.2.3 表面涂層 4

1.2.4 體吸收 5

1.3 光伏光熱耦合 7

1.3.1 吸熱流體與光伏的結合 7

1.3.2 光伏-熱電耦合 8

參考文獻 9

第2章 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的復合式結構 15

2.1 太陽能熱發(fā)電技術概述 15

2.1.1 槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng) 16

2.1.2 塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng) 16

2.1.3 碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng) 17

2.1.4 線性菲涅耳式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng) 17

2.1.5 四種系統(tǒng)的比較 17

2.2 太陽幾何學基礎簡介 18

2.2.1 太陽運動規(guī)律 19

2.2.2 光的反射和空間向量運算 21

2.3 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)結構優(yōu)化 21

2.3.1 聚光系統(tǒng)結構優(yōu)化 21

2.3.2 光路計算 22

2.4 本章小結 25

參考文獻 25

第3章 太陽能儲熱介質的性能優(yōu)化 27

3.1 復合儲熱介質 27

3.1.1 相變儲熱材料 27

3.1.2 礦物基材料 29

3.2 儲熱材料的設計和配置 30

3.2.1 相變材料和包裹材料的選取 30

3.2.2 工藝設計 33

3.2.3 制作復合材料 33

3.3 實驗和結果分析 35

3.3.1 實驗測量 35

3.3.2 結果與分析 36

3.4 本章小結 41

參考文獻 42

第4章 太陽能吸熱器表面涂層 45

4.1 太陽能光譜選擇性吸收涂層 45

4.1.1 光譜選擇性吸收涂層 45

4.1.2 涂層分類 46

4.1.3 涂層制備方法 46

4.2 太陽能柔性復合涂層 47

4.2.1 固相法制備CuAlO2粉末 47

4.2.2 制備CuO-CuAl2O4涂層 50

4.3 性能和實驗分析 55

4.3.1 不同配比的涂層 55

4.3.2 吸收率和發(fā)射率 56

4.3.3 吸熱實驗分析 57

4.4 本章小結 64

參考文獻 64

第5章 多孔介質太陽能集熱器的傳熱特性 66

5.1 多孔介質簡介 66

5.2 實驗測量 68

5.2.1 材料和儀器 68

5.2.2 實驗過程 70

5.3 結果和分析 71

5.3.1 不同多孔介質的對比 71

5.3.2 升降溫的變化特點 73

5.3.3 影響因素分析 75

5.4 本章小結 75

參考文獻 76

第6章 優(yōu)化的納米流體直接吸收太陽能 78

6.1 膠體碳球的制備 79

6.1.1 主要原料及設備 80

6.1.2 實驗過程 80

6.2 制備納米空心球顆粒 83

6.2.1 主要原料及設備 83

6.2.2 實驗過程 84

6.3 制備納米流體 88

6.3.1 主要原料及設備 89

6.3.2 實驗過程 89

6.4 實驗和分析 90

6.4.1 空心與實心的對比 91

6.4.2 混合與單相的對比 94

6.4.3 綜合對比 98

參考文獻 101

第7章 基于納米流體的光伏光熱耦合分析 103

7.1 常用的光伏光熱系統(tǒng) 103

7.1.1 傳統(tǒng)的光伏光熱系統(tǒng) 103

7.1.2 基于納米流體對的分頻式光伏光熱系統(tǒng) 104

7.2 物理模型和實驗準備 105

7.2.1 物理模型 105

7.2.2 實驗儀器和材料 106

7.3 結果和數(shù)據(jù)分析 107

7.3.1 物理參數(shù)和計算公式 107

7.3.2 實驗結果和分析 108

7.4 本章小結 114

參考文獻 114

第8章 太陽能光伏--熱電耦合優(yōu)化 116

8.1 光伏-熱電耦合 116

8.2 模塊簡介 117

8.2.1 光伏模塊 118

8.2.2 熱電模塊 119

8.2.3 頻率轉換模塊 121

8.3 模型設計及原理 122

8.3.1 太陽能光伏-熱電模塊結構 122

8.3.2 太陽能光伏-頻率轉換模塊結構 123

8.3.3 功率計算 124

8.4 實驗器材簡介 125

8.5 實驗及數(shù)據(jù)分析 128

8.5.1 純光伏板實驗 128

8.5.2 光伏-熱電模塊實驗 131

8.5.3 光伏-頻率轉換模塊實驗 137

8.6 本章小結 145

參考文獻 145

第9章 微納米光伏表面結構吸收性能分析 147

9.1 微納米表面結構 147

9.2 建立器件模型 150

9.2.1 FDTD Solutions簡介 150

9.2.2 模擬結構的建立 150

9.3 硅納米柱凹槽陣列的光吸收率 153

9.3.1 深度的影響 153

9.3.2 底圓半徑的影響 154

9.3.3 添加螺紋結構的影響 156

9.4 硅納米圓錐凹槽陣列的光吸收率 158

9.4.1 深度的影響 159

9.4.2 圓錐頂角的影響 160

9.4.3 添加螺紋結構的影響 162

9.5 本章小結 164

參考文獻 165

編后記 167 2100433B

本書對太陽能光熱光電利用中的高效吸收與傳遞進行了重點論述，內容包括：對比了四種典型的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，提出了一種復合式的光路系統(tǒng)；太陽能復合相變儲熱介質的性能優(yōu)化；光譜選擇性柔性涂層的提出和制備；多孔介質太陽能集熱器的傳熱特性分析；空實混合納米顆粒流體的吸放熱實驗研究；基于納米流體吸收部分光譜與光伏余熱的綜合性能的對比優(yōu)化實驗；光伏-熱電耦合的分光利用與光伏-光譜轉換的優(yōu)化方案；光伏表面的微結構的吸光性模擬。

空腔式吸收器是一種可以用來驅動渦輪機組和各種高溫熱化學過程的高效太陽能吸收器?？涨皇轿掌髦凶畹湫偷哪Ｐ鸵獢?shù)以色列魏茨曼科學研究院的Kribus等人研制的直接照射式環(huán)形加壓吸收器(DIAPR),其結構簡圖見圖3所示。在吸收器腔體內部陶瓷基底上安裝有針狀放射形吸收體,通過增大吸收換熱面積和破壞流體邊界層增加湍流流動來吸走近10倍于現(xiàn)行一般太陽能吸收器所能吸收的太陽熱能。實驗測得該吸收器的工質出口溫度為1300℃左右,所能承受的平均輻射通量為一5000~10000Kw/m2、壓力為15~30bar,熱效率可達80%。

管式吸收器是最早提出來的吸收器模型,具有結構簡單、安裝方便、換熱能力強等優(yōu)點,

它可以最大限度的接收聚焦的太陽光,有利于太陽能的大規(guī)模利用。各類管式吸收器都包括以下三個傳熱過程：

1.外部熱源太陽能與管外壁之間的換熱輻射換熱和對流換熱。

2.管外壁向內表面的導熱。

3.管內壁與工質之間的對流換熱。

管式吸收器管子排列形式主要有兩種直管式和螺旋管式。

太陽能吸收器直管式

直管式吸收器的特點是各個直管并聯(lián),通過下面的集氣管連接在一起,流體分別流經(jīng)不同的直管進行流動換熱,直管圍成一個圓柱形腔體結構,其模型圖如圖1所示,為了研究方便,對直管式吸收器每根支管進行標號,由左到右分別1-20號管。從圖1中可以看出,對于圓柱形腔體結構,當孔徑比接近1.0時光學效率最高。固結構尺寸選取為各個小管的直徑為5mm,垂直長度為111mm,彎曲處半徑為14mm,管子根數(shù)為20根。內圈管子環(huán)繞半徑為95mm,外圈管子環(huán)繞半徑為123mm,各根管子之間偏轉角度為8°。為了提高計算質量,采用分區(qū)法對吸收器進行網(wǎng)格劃分,得到結構化網(wǎng)格數(shù)共計152400。

太陽能吸收器螺旋管式吸收器

螺旋管式吸收器則是將一個直管盤旋呈螺旋形狀,通過流體在管道內部流動過程中不斷改變方向增加湍流強度和引起的二次流動來達到強化換熱的目的。其模型圖見圖2所示。從圖2中得出,當孔徑比為1.5時,圓錐形腔體的光學效率能達到最大值,約90%。固選取結構尺寸為管子內徑為5mm,垂直長度為110mm,小端口環(huán)繞半徑為13mm,大端口環(huán)繞半徑為95mm。

吸收器是太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分之一,根據(jù)對工質加熱方式的不同可分為間接吸熱式和直接吸熱式兩類。

間接吸熱式吸收器根據(jù)熱交換腔體是否密封又可分為開式和窗式兩種。

按照吸收器結構的不同又可分為管狀吸收器和熱管吸收器。

管狀太陽能吸收器的可以接收來各個方位的太陽光,對定日鏡的布置、跟蹤要求不高,制造和加工工藝簡單,有利于太陽能的大規(guī)模利用。但是,由于其吸熱體外露于周圍環(huán)境之中,輻射熱損失較大,因此此種吸收器熱效率相對較低。等人對管狀吸收器進行過詳細的描述和研究。成功應用管狀太陽能吸收器電站是美國的塔式熱發(fā)電和玩。,用水做載熱工質,而玩。則使用了熔鹽介質。相對于管狀吸收器而言熱管吸收器可以減輕太陽能熱吸收器的質量并提高其熱力學性能,但是它的應用場合一般會受到限制,而且容易出現(xiàn)部分高溫熱管的空載狀態(tài)、傳熱能力受到限制、換熱系數(shù)較小、換熱效果不理想等缺陷。直接吸熱式太陽能吸收器也稱空腔式吸收器,此種吸收器的特點為空腔式吸收器內表面具有凡近黑體的特性,大大提升了對入射太陽能的吸收能力,工質的流動傳熱和入射光加熱受熱面在同一表面發(fā)生,降低了對壁面材料的依賴。但是此類吸收器的光線進口往往會受到限制,在一定程度上增加了定日鏡場的布置難度。目前空腔式吸收器的工作溫度最高能夠達到1300℃左右,帶有高壓窗的吸收器壓力可達30atm。

直接吸熱式太陽能吸收器又可分為無壓腔體式和有壓腔體式兩種。為了進一步提高工質的出口溫度,減小對腔體壁面材料的要求,又提出了太陽能粒子吸收器,該吸收器的換熱方式是首先讓工質在吸收器腔體中與傳熱載體分子或離子團摻混,再通過熱傳導、對流、輻射方式將這些載體所吸收的太陽輻射能轉換為工質氣體的熱能。在這種吸收器中,最高溫度出現(xiàn)在工作流體中而不是吸收器壁面,并且由于載體微粒的換熱,工質的整體換熱效率提高了,從而提升了吸收器的性能。