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1、内蒙古工业大学博士学位论文答辩 碟式太阳能聚光集热系统 机理及实验研究 研 究 生 ： 学科名称： 指导教师： 2017/5/13 内 容 提 要 1、课题背景与意义 2、铠装热电偶传热模型及验证 3、聚焦平面能流密度测量与分析 4、接收器热性能分析与结构设计 5、碟式聚光集热系统实验研究 6、结论与展望 2、铠装热电偶传热模型及验证 1、课题背景及意义 1 3、聚焦平面能流密度测量与分析 4、接收器热性能分析与结构设计 5、碟式聚光集热系统实验研究 6、结论与展望 1 1 1 1 选题意义 研究现状 研究内容与关键问题 1 1、课题背景及意义 储产比 (石油 ) 世界天然气产气量 (1987
2、-2012) 世界煤炭消费量 (1987-2012) 内蒙古工业大学工学博士论文答辩 1-1 中国一次能源消费中煤炭 所占比重 (2003-2012) 中国能源生产量和消费量 (1980-2012) 选题意义 应该 加大对新能源和可再生能源的技术研发 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 201268697071比重/%年份 /a1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004 2008 201250000100000150000200000250000300000350000总量/万吨标准煤年份/ 年生产总量消费总量1、
3、课题背景及意义 内蒙古工业大学工学博士论文答辩 1-2 选题意义 美国 Solar One槽式太阳能热发电厂 PS10（后面）和 PS20（前面） 太阳能塔式热发电电厂 碟 式太阳能热发电厂 1、课题背景及意义 内蒙古工业大学工学博士论文答辩 1-3 选题意义 跟踪装置 聚光器 接收器 能量输出端 a a aP I A a r r rP I A ufP m c TaraaPP urarPP utotal a raPP a r r raa a aP I AP I A/r a EoparI I CA A C 1、课题背景及意义 内蒙古工业大学工学博士论文答辩 1-4 研究现状 如何利用现有条件开展
4、能流密度的测量成为首要问题； 已有研究中独立开展聚光器性能和接收器效率的报道较多，但作为整个系统中的两个重要 单元，耦合在一起的研究报道较少。 聚焦平面能流密度测量 Jesus Ballestrn等把 微传感器固定在移动条上 ，快速扫过聚光 焦平面 ， 完成能流密度分布的 测量 。 Ulmer Steffen等人采用利用间接测量水冷朗伯靶包对 DISTAL 系统进行了间接测量， 德国 DLR机构 利用 表面涂有 Al2O3的朗伯靶 和 带透镜 、 滤光片的 CCD相机 对其研究的太阳炉焦 面能流分布进行了测量 ， 靶在很短的时间内通过光束，靶面无需水冷 。 接收器热损失 Harris、 Len
5、z等人对 6种不同形状的接收器热损失进行分析， 引起损失最大的因素是聚光器的 聚光性能，接收器的形状对系统总热效率的影响不大。 Taumoefolau、 Prakash和 肖兰 等人对 接收器的对流热损失进行了模拟和实验研究。 碟式聚光效果 帅永等利用 Monte Carlo方法建立碟式聚光模型，研究了辐照度、太阳能入射角度对聚光特性 的影响。刘颖利用有限元法对聚光器 聚焦能流密度进行了数值模拟分析 ，并进行了实验验证。 1、课题背景及意义 内蒙古工业大学工学博士论文答辩 1-5 研究内容与关键问题 碟式聚光 集热系统 聚焦平面能 流密度测量 接收器能量 利用效果 聚光集热效果 影响因素 第四
6、章：接收器热性能理论分析和结构设计 2、铠装热电偶传热模型及验证 1、课题背景及意义 1 3、聚焦平面能流密度测量与分析 4、接收器热性能分析与结构设计 5、碟式聚光集热系统实验研究 6、结论与展望 1 1 1 1 测量方案介绍 铠装热电偶传热模型 实验验证及结果分析 1 干扰较大， 规律性差 ， 缺乏理论依据 内蒙古工业大学工学博士论文答辩 2、铠装热电偶传热模型及验证 2-1 测量方案介绍 传感器布置数量 有 限， 精度低， 分辨率差 聚焦平面能流密度测量方法：直接测量和间接测量 间接测量原理图 a） 光学聚光比测量装置 b） 聚焦平面光学聚光比测量示意图 直接测量原理图 内蒙古工业大学工
7、学博士论文答辩 2、铠装热电偶传热模型及验证 2-2 测量方案介绍 a b s f l u x ra d c o n v c o n dE E E E E 4radET()c o n v e n vE h T T入射能流密度 热电偶温度 ()fl u xT f E ()fl u xE f T内蒙古工业大学工学博士论文答辩 2、铠装热电偶传热模型及验证 2-2 铠装热电偶传热模型 铠装热电偶实物和结构图 网格划分结果 (a)输入能流为 10kW/m2 (b)输入能流为 60kW/m2 (c)输入能流为 180kW/m2 外表面、中心剖面温度场 0 50 100 150 200 250 300 3
8、50 400 450 500 550 6003004005006007008009001000110012001300温度/K能流密度 / ( k W/m2)入射能流密度与温度间的关系曲线 内蒙古工业大学工学博士论文答辩 2、铠装热电偶传热模型及验证 2-2 实验验证及结果分析 实验思路 ： 将标准聚光镜聚光平面垂直于太阳入射光放置，将热电偶接收端放置在聚光后的中心轴线上，让其接受聚光后的太阳能能流，用数据采集仪记录热电偶输出温度，同时用红外摄像仪记录热电偶套管表面温度 。 内蒙古工业大学工学博士论文答辩 2、铠装热电偶传热模型及验证 2-2 实验验证及结果分析 0 1 2 3 4 5 6 7
9、 8 9 10260280300320340360380温度/K能流密度 / ( k W/ m2)仿真曲线实测数据标准聚光下测量数据和仿真结果的对比 (a) 能流强度 1588 W/m2 (b) 能流强度 3398 W/m2 (c) 能流强度 88 54W/m2 (d) 能流强度 10664 W/m2 1、仿真分析可得热电偶能流密度与温度 间函数关系； 2、 热电偶测试温度反演得到入射的能流 密度值 ； 3、实验表明，随 入射能流密度 的 增加， 热电偶测试端和尾部套管间的温差加大， 尾部套管对测试端的影响在削弱， 测试 精度越来越高。 2、铠装热电偶传热模型及验证 1、课题背景及意义 1 3
10、、聚焦平面能流密度测量与分析 4、接收器热性能分析与结构设计 5、碟式聚光集热系统实验研究 6、结论与展望 1 1 1 1 测量设备和实验条件 焦面温度场和能流密度 分布 焦斑特性 1 3、聚焦平面能流密度测量与 分析 内蒙古工业大学工学博士论文答辩 3-1 测量设备和实验条件 热电偶支架和布置 下盘：让聚焦能流入射到热电偶测试端，防止照射 到其他部位 ； 上盘： 支撑、固定热电偶 ，保证测试平面与聚焦平面平行； 支撑轴 ：固定装置，调整测量位置用。 聚光器和跟踪平台 TP700多路数据记录仪 3、聚焦平面能流密度测量与 分析 内蒙古工业大学工学博士论文答辩 3-2 测量设备和实验条件 能流密
11、度分布测量过程图 1 2 :1 0 1 2 :2 0 1 2 :3 0 1 2 :4 0 1 2 :5 0 1 3 :0 0 1 3 :1 0 1 3 :2 0 1 3 :3 0600620640660680700720直接辐射值直接辐射值/(W/m2)时间 /min1 2 :1 0 1 2 :2 0 1 2 :3 0 1 2 :4 0 1 2 :5 0 1 3 :0 0 1 3 :1 0 1 3 :2 0 1 3 :3 0860870880890900910920930940总辐射值总辐射值/(W/m2)时间 /min1 2 :1 0 1 2 :2 0 1 2 :3 0 1 2 :4 0 1
12、 2 :5 0 1 3 :0 0 1 3 :1 0 1 3 :2 0 1 3 :3 001234环境风速 环境温度环境风速/(m/s)时间 /min1 2 :1 0 1 2 :2 0 1 2 :3 0 1 2 :4 0 1 2 :5 0 1 3 :0 0 1 3 :1 0 1 3 :2 0 1 3 :3 02627282930环境温度/时间 /min说明 1、 聚光器 理论 焦距为 555mm； 2、 调整铠装热电偶支架下盘位置 ， 以理论焦点 Z=f=555mm处为中心 0点， 在-60， 70范围内 (Z=495mm到 Z=625mm)每隔 10mm开展了测量研究 ; 3、 通过焦点 F的
13、聚焦平面为法平面 ； 4、 垂直于主轴，平行于法平面，不同Z值的聚焦平面，称为 Z=xx（相应数值）mm聚焦平面 。 3、聚焦平面能流密度测量与 分析 内蒙古工业大学工学博士论文答辩 3-3 焦面温度场和能流密度分布 x轴 y轴 温度值/ 温度值/K 能流密度/(k W/)0 0 945.5 1218.7 547.236320 -14 583.7 856.9 199.83427-14 0 517.6 790.8 156.145370 14 548.7 821.9 176.4126514 0 879.4 1152.6 468.327040 -28 323.1 596.3 55.66117-19.
14、8 -19.8 292.7 565.9 47.33815-28 0 301.9 575.1 49.75125-19.8 19.8 284.4 557.6 45.229350 28 250.5 523.7 37.3957619.8 19.8 324.3 597.5 56.0166228 0 366.9 640.1 70.9145119.8 -19.8 323.1 596.3 55.661170 -42 207.3 480.5 28.98624-42 0 161.3 434.5 20.98550 42 157.4 430.6 20.3396342 0 207.6 480.8 29.04098Ori
15、gin软件 三次样条插值法 内部插值和外部插值 x、 y值的变化范围为 -50， 50 3、聚焦平面能流密度测量与 分析 内蒙古工业大学工学博士论文答辩 3-4 焦面温度场和能流密度分布 3 6 9 . 53 9 0 . 64 1 1 . 64 3 2 . 74 5 3 . 84 7 4 . 84 9 5 . 95 1 6 . 95 3 8 . 0- 4 0 - 2 0 0 20 40- 4 0- 2 002040kx 方向 /mmy方向/mm3 6 9 . 53 9 0 . 64 1 1 . 64 3 2 . 74 5 3 . 84 7 4 . 84 9 5 . 95 1 6 . 95 3 8 . 0- 4 0 - 2 0 0 20 40- 4 0- 2 002040kx 方向 /mmy方向/mm- 4 0 - 2 0 0 20 40- 4 0- 2 002040x 方向 /m my方向/mm3 7 9 . 54 0 2 . 44 2 5 . 44 4 8 . 34 7 1 . 34
