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(chǔ)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(jié)合 7

1.3.2 光伏-熱電耦合 8

參考文獻(xiàn) 9

第2章 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的復(fù)合式結(jié)構(gòu) 15

2.1 太陽能熱發(fā)電技術(shù)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(xué)基礎(chǔ)簡介 18

2.2.1 太陽運(yùn)動(dòng)規(guī)律 19

2.2.2 光的反射和空間向量運(yùn)算 21

2.3 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化 21

2.3.1 聚光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化 21

2.3.2 光路計(jì)算 22

2.4 本章小結(jié) 25

參考文獻(xiàn) 25

第3章 太陽能儲(chǔ)熱介質(zhì)的性能優(yōu)化 27

3.1 復(fù)合儲(chǔ)熱介質(zhì) 27

3.1.1 相變儲(chǔ)熱材料 27

3.1.2 礦物基材料 29

3.2 儲(chǔ)熱材料的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì) 33

3.2.3 制作復(fù)合材料 33

3.3 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析 35

3.3.1 實(shí)驗(yàn)測量 35

3.3.2 結(jié)果與分析 36

3.4 本章小結(jié) 41

參考文獻(xiàn) 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(fù)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)分析 57

4.4 本章小結(jié) 64

參考文獻(xiàn) 64

第5章 多孔介質(zhì)太陽能集熱器的傳熱特性 66

5.1 多孔介質(zhì)簡介 66

5.2 實(shí)驗(yàn)測量 68

5.2.1 材料和儀器 68

5.2.2 實(shí)驗(yàn)過程 70

5.3 結(jié)果和分析 71

5.3.1 不同多孔介質(zhì)的對比 71

5.3.2 升降溫的變化特點(diǎn) 73

5.3.3 影響因素分析 75

5.4 本章小結(jié) 75

參考文獻(xiàn) 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(shè)備 80

6.1.2 實(shí)驗(yàn)過程 80

6.2 制備納米空心球顆粒 83

6.2.1 主要原料及設(shè)備 83

6.2.2 實(shí)驗(yàn)過程 84

6.3 制備納米流體 88

6.3.1 主要原料及設(shè)備 89

6.3.2 實(shí)驗(yàn)過程 89

6.4 實(shí)驗(yàn)和分析 90

6.4.1 空心與實(shí)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(xiàn) 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(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備 105

7.2.1 物理模型 105

7.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器和材料 106

7.3 結(jié)果和數(shù)據(jù)分析 107

7.3.1 物理參數(shù)和計(jì)算公式 107

7.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析 108

7.4 本章小結(jié) 114

參考文獻(xiàn) 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(zhuǎn)換模塊 121

8.3 模型設(shè)計(jì)及原理 122

8.3.1 太陽能光伏-熱電模塊結(jié)構(gòu) 122

8.3.2 太陽能光伏-頻率轉(zhuǎn)換模塊結(jié)構(gòu) 123

8.3.3 功率計(jì)算 124

8.4 實(shí)驗(yàn)器材簡介 125

8.5 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析 128

8.5.1 純光伏板實(shí)驗(yàn) 128

8.5.2 光伏-熱電模塊實(shí)驗(yàn) 131

8.5.3 光伏-頻率轉(zhuǎn)換模塊實(shí)驗(yàn) 137

8.6 本章小結(jié) 145

參考文獻(xiàn) 145

第9章 微納米光伏表面結(jié)構(gòu)吸收性能分析 147

9.1 微納米表面結(jié)構(gòu) 147

9.2 建立器件模型 150

9.2.1 FDTD Solutions簡介 150

9.2.2 模擬結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的影響 162

9.5 本章小結(jié) 164

參考文獻(xiàn) 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(jìn)行了重點(diǎn)論述，內(nèi)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(fù)合式的光路系統(tǒng)；太陽能復(fù)合相變儲(chǔ)熱介質(zhì)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(zhì)太陽能集熱器的傳熱特性分析；空實(shí)混合納米顆粒流體的吸放熱實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)；光伏-熱電耦合的分光利用與光伏-光譜轉(zhuǎn)換的優(yōu)化方案；光伏表面的微結(jié)構(gòu)的吸光性模擬。

空腔式吸收器是一種可以用來驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)組和各種高溫?zé)峄瘜W(xué)過程的高效太陽能吸收器。空腔式吸收器中最典型的模型要數(shù)以色列魏茨曼科學(xué)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(jié)構(gòu)簡圖見圖3所示。在吸收器腔體內(nèi)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(dòng)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(shí)驗(yàn)測得該吸收器的工質(zhì)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(dá)80%。

管式吸收器是最早提出來的吸收器模型,具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、換熱能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),

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(gè)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(nèi)表面的導(dǎo)熱。

3.管內(nèi)壁與工質(zhì)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(diǎn)是各個(gè)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(jìn)行流動(dòng)換熱,直管圍成一個(gè)圓柱形腔體結(jié)構(gòu),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(jìn)行標(biāo)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(jié)構(gòu),當(dāng)孔徑比接近1.0時(shí)光學(xué)效率最高。固結(jié)構(gòu)尺寸選取為各個(gè)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(nèi)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(zhuǎn)角度為8°。為了提高計(jì)算質(zhì)量,采用分區(qū)法對吸收器進(jìn)行網(wǎng)格劃分,得到結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格數(shù)共計(jì)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(gè)直管盤旋呈螺旋形狀,通過流體在管道內(nèi)部流動(dòng)過程中不斷改變方向增加湍流強(qiáng)度和引起的二次流動(dòng)來達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的。其模型圖見圖2所示。從圖2中得出,當(dāng)孔徑比為1.5時(shí),圓錐形腔體的光學(xué)效率能達(dá)到最大值,約90%。固選取結(jié)構(gòu)尺寸為管子內(nèi)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(gè)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(jìn)行過詳細(xì)的描述和研究。成功應(yīng)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(zhì),而玩。則使用了熔鹽介質(zhì)。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(zhì)量并提高其熱力學(xué)性能,但是它的應(yīng)用場合一般會(huì)受到限制,而且容易出現(xiàn)部分高溫?zé)峁艿目蛰d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(diǎn)為空腔式吸收器內(nèi)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(zhì)的流動(dòng)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(jìn)口往往會(huì)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(dá)到1300℃左右,帶有高壓窗的吸收器壓力可達(dá)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(jìn)一步提高工質(zhì)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(zhì)在吸收器腔體中與傳熱載體分子或離子團(tuán)摻混,再通過熱傳導(dǎo)、對流、輻射方式將這些載體所吸收的太陽輻射能轉(zhuǎn)換為工質(zhì)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(zhì)的整體換熱效率提高了,從而提升了吸收器的性能。