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1、太陽能兩級聚集與高溫熱轉換的光熱傳輸特性研究RESEARCHONTWO-STAGECONCENTRATINGOFSOLARENERGYANDHIGHTEMPERATURECONVERSION2012年09月國內(nèi)圖書分類號：TK123國際圖書分類號：621.1.016.7工學博士學位論文太陽能兩級聚集與高溫熱轉換的光熱傳輸特性研究博士研究生：戴貴龍導師：夏新林教授申請學位級別：工學博士學科、專業(yè)：工程熱物理所在單位：能源科學與工程學院答辯日期：2012年09月授予學位單位：哈爾濱工業(yè)大學ClassifiedIndex：TK123U.D.C.:621.1.016.7Dissertatio
2、nfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONTWO-STAGECONCENTRATINGOFSOLARENERGYANDHIGHTEMPERATURECONVERSIONCandidate:DaiGui-LongSupervisor:Prof.XiaXin-LinAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpeciality:EngineeringThermophysicsAffiliation:SchoolofEnergyScienceandEngineeringDateofDefence:S
3、eptember,2012Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology摘要摘要太陽能高溫熱轉換包括太陽能高倍聚集、光學窗口的聚集能流傳輸、多孔吸熱芯高溫轉換三個主要的過程環(huán)節(jié)，涉及光譜輻射定向傳輸、半透明體輻射－導熱耦合傳熱、多孔介質高溫輻射－導熱－對流耦合傳熱問題。研究掌握其光熱傳輸特性對太陽能高溫熱轉換技術的創(chuàng)新發(fā)展有重要意義。本文通過理論分析、數(shù)值模擬和實驗測量相結合的方法，對太陽能高倍聚集系統(tǒng)、光學窗口與多孔吸熱芯的光熱傳輸特性進行了研究。首先通過建立多碟聚集器的蒙特卡羅法光路分析模型、編制計算程序、研究聚
4、集能流分布實驗測量方法，對十六碟太陽能聚集器進行了光路分析與實驗研究，獲得了聚集能流分布特性?；谡齽t化能流分布實驗結果，評價了十六碟聚集器的面型誤差值，結合數(shù)值模擬，分析了跟蹤誤差對聚集性能的影響。進一步，建立了偏軸聚集器的太陽能束傳輸模型，模擬分析了其太陽能聚集特性及影響因素。兩級聚集是獲得高聚光比太陽能流的主要途徑，其第二級聚集器接受的太陽光具有強烈的方向和能流密度非均勻性。在碟式聚集器光路分析的研究基礎上，通過建立三維CPC（CompoundParabolicConcentrator）的高次非線性曲面對聚集能束傳輸過程的求解方法、編制計算程序，對三維CPC與單碟聚集器、多碟聚
5、集器構成的兩種反射式兩級聚集系統(tǒng)的太陽能聚集傳輸特性進行了數(shù)值模擬，分析了面型誤差、跟蹤誤差、接收半角等參數(shù)對系統(tǒng)聚集性能的影響。對偏軸聚集器與折射式第二級聚集器構成的兩級聚集系統(tǒng)，建立了太陽能光路分析模型，通過模擬計算，分析了面型和跟蹤誤差及折射式聚集器結構參數(shù)對系統(tǒng)聚集性能的影響。石英光學窗口對太陽光和紅外輻射具有顯著的光譜選擇性，其傳輸能流密度和方向性非均勻的聚集太陽能束時，將產(chǎn)生非均勻的輻射－導熱耦合效應。采用蒙特卡羅法模擬石英光學窗口的聚集太陽能束傳輸過程，并結合有限體積法和譜帶模型，求解聚集太陽能束作用下石英窗口內(nèi)的輻射－導熱耦合傳熱。以十六碟聚集太陽能聚集器為平臺，通過
6、建立石英光學窗口的熱特性測量裝置，獲得聚集能束加熱下光學窗口的溫度分布，驗證計算方法與程序的可靠性。在此基礎上，分析了石英光學窗口的光熱傳輸特性。為提高石英光學窗口對聚集太陽能束的透過率，采用光學導-I-哈爾濱工業(yè)大學工學博士學位論文納矩陣和遺傳算法，根據(jù)聚集太陽能束的方向性條件，進行了石英光學窗口的減反射膜系優(yōu)化設計分析。進一步，建立了平板石英窗口與橢球型等效吸熱面組成的聚集太陽能熱轉換結構模型，通過模擬計算，分析了石英窗口及等效吸熱面熱轉換溫度分布對高溫輻射散熱損失的影響。針對容積式多孔吸熱材料的太陽能高溫熱轉換過程，采用大粒子散射相函數(shù)結合試驗數(shù)據(jù)計算多孔材料的光譜輻射特性，結
7、合聚集光路分析，基于蒙特卡羅法建立了聚集器與多孔吸熱器一體化的太陽能傳輸過程分析方法。通過模擬計算，獲得了十六碟聚集器和石英光學窗口條件下，圓柱狀多孔吸熱芯內(nèi)的太陽能吸收分布。在此基礎上，采用有限體積法和羅斯蘭擴散近似、考慮氣體變物性，建立了聚集太陽能入射下多孔吸熱芯與氣流的輻射－導熱－對流耦合傳熱一維穩(wěn)態(tài)模型，計算分析了利用聚集太陽能產(chǎn)生高溫氣流的能量轉換特性。最后，利用上述研究結果，對太陽能高溫熱轉換應用于熱推進的系統(tǒng)方案和性能特點進行了初步探討。通過
