论文总字数：24917字

摘 要

近年来，太阳能利用技术发展迅猛，特别是太阳能热发电技术，已经达到了大规模应用水平。抛物槽式太阳能热发电系统是目前最成熟、最经济且已经大规模商业化的太阳能热发电系统，而真空集热管作为该系统的关键部件，其性能的优劣会直接影响到整个系统的效率。本文基于一系列假设对真空集热管的基本结构进行简化分析，建立了真空集热管的一维稳态传热模型，之后将模型的计算模拟结果与NREL对Schott 2008 PTR70真空管的测试实验数据进行比较，分析了模拟结果和实验数据的绝对误差和相对误差，验证了模型的可靠性。同时结合模型，通过依次改变吸收管温度、环境温度和风速这三个参数值，求得对应的玻璃管外壁温度和热损失，进而分析这三个因素对后者的影响程度。分析结果发现，环境的变化只会影响玻璃管外壁温度，对热损失影响甚微。玻璃管外壁温度随环境温度呈线性同向增长，而随风速的增大而降低，且降低速度由快变慢，最后趋于稳定。吸收管温度对玻璃管外壁温度和热损失都有较大影响。吸收管温度越高，玻璃管外壁温度和热损失越大，且增长速度不断提高。

关键词：真空集热管；热损失一维稳态模型；热性能

Research on thermal performance

of evacuated tube

Abstract

In recent years, with the rapid development of solar energy utilization technology, especially the solar thermal power generation technology has reached the level of large-scale application. Parabolic trough solar thermal power generation system is the most mature, most economical and large-scale commercialized solar power generation system, which  is composed of  heat collection subsystem, heat transfer subsystem, heat storage subsystem, auxiliary energy subsystem and electricity generation subsystem. As the key component of this system, the performance of a evacuated tube will directly affect the efficiency of the whole system. Based on a series of assumptions, this paper simplified the analysis of the fundamental structure of the evacuated tube, established a 1-D steady-state  heat-transfer model of  the evacuated tube, and compared the results of the model’s simulation and a test data of the Schott 2008 PTR70 evacuated tube, measured by NREL. After analyzing the absolute error and relative error of them, the reliability of this model can be proved. According to the model, the corresponding glass tube temperature and heat loss can be calculated by altering the variation of the absorber temperature, ambient temperature and wind speed sequentially, in order to analyse the influence degree of this three factors on the latters. It is found that ambient conditions can only effect on the glass tube temperature, and has little effect on heat loss. The temperature of the glass tube increases linearly with the ambient temperature, while decreaseing with the increasing of wind speed, and the speed decreases from fast to low, which tends to stability. the absorber temperature has obvious effect on the temperature of the glass tube and heat loss. They all increasing faster and faster with the increasing of the absorber temperature.

Keywords: evacuated tube; one-dimensional model of heat loss; thermal performance

目录

真空集热管热性能研究 I

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.1.1 太阳能利用 1

1.1.2 太阳能热发电系统 2

1.1.3 太阳能集热器 4

1.2 国内外研究现状 6

1.3 课题研究内容 7

第二章 真空集热管的热性能分析 8

2.1 真空集热管的基本结构 8

2.2 真空集热管的要求 8

2.3 真空集热管的热损失模型 9

2.3.1 一维热损失模型的建立 9

2.3.2 热性能计算界面 15

第三章 一维稳态热损失模型的验证 17

3.1 Schott 2008 PTR70真空管的几何参数和物性参数 17

3.2 Schott 2008 PTR70真空管的热性能测试 17

3.3 热损失模型的计算模拟结果与实验数据的误差分析 17

第四章 热损失影响因素 20

4.1 吸收管温度 20

4.2 环境温度 20

4.3 风速 21

第五章 总结 23

致谢 24

参考文献 25

绪论

1.1 课题研究背景

1.1.1 太阳能利用

能源为机器和设备的运行提供了能量，是推动社会发展和维持人民日常生活的物质基础。随着现代化建设的不断发展，人类对于能源的需求越来越大，作为主要能源同时也是不可再生能源的化石燃料（如煤、石油、天然气等）被大量消耗而日益短缺。与此同时，为了满足对能源的大量需求，能源的开采量越来越大，由此引发的地表塌陷和水质污染问题越来越多。由于化石燃料的分布不均，常需要对化石燃料进行运输，运输过程中带来的扬尘（主要是煤炭）和海水污染（主要是石油）也不容忽视。为了减少燃料中的杂质以提高燃烧效率而对燃料进行加工的过程中又会产生大量灰尘和气体污染物。尽管化石燃料作为一种重要的燃料被人们广泛的运用于各种工业，但是其燃烧所带来的巨大危害却在侵蚀着我们赖以生存的生态环境。面对能源短缺与环境破坏的双重危机，人类不得不将目光聚焦到新能源上，寻找替代能源以缓解能源供应和环境保护的压力。作为新能源中的一员，太阳能由于其自身所具有的取之不尽、分布范围广、无地域限制、清洁环保、安全无害且无需运输等优点而备受关注，开发潜力巨大。

1.1.1.1 利用方式

由于太阳能无法像电能一样直接向机器设备提供能量推动其工作，因此需要将太阳能进行转换，常见的太阳能转换方式有如下几种，a.太阳能向热能的转换；b太阳能向电能的转换；c.太阳能向化学能的转换；d.太阳能向生物能源的转换。相应地，我们可以把太阳能常见的利用方式分为：a.太阳能的热利用；b. 太阳能的光电利用；c. 太阳能的光化学能利用；d.太阳能光生物利用。光—热转换是通过可以吸收—转换太阳能的装置来吸收太阳能并将其转化成可供直接利用的热能以满足对该能源的需求，这种利用方式由来已久，技术较为成熟。光—电转换的基本原理是利用光伏效应将被采集的太阳能转换为电能，这种转换近年来发展迅猛，前景可观。光化学转换是利用光解反应、光合反应、光敏反应等光化反应将太阳的辐射能转换成电能，这种利用方式还处于研究阶段。光生物转换的基本原理是利用植物的光合作用（将吸收的太阳能和二氧化碳转化为氧气和葡萄糖）来将太阳能进行转换^[1]。目前太阳能发电主要有以下两种途径：（1）太阳能光发电：不通过热过程，使用光电器件（半导体或金属材料等）把收集到的太阳能直接转换为电能。现有的太阳能光发电的发电装置发电功率较小，有些还处于试验阶段，但由于产生的电能品质高，因此发展前景十分乐观；（2）太阳能热发电：太阳能热发电是经过热过程再产生电能，先通过一些吸热体把吸收的太阳辐射能转化为自身的热能，然后再通过某种发电方式转化为电能。在这两种主要利用途径中，太阳能热发电由于其技术成熟、对材料的要求低、且能通过蓄热进行调节，有较强的竞争优势，因此应用更为广泛^[2]。

1.1.1.2 我国的太阳能资源

我国地处北半球，幅员辽阔，南北跨度大，东西范围广，大部分处于亚热带和温带，全国年日照小时数超过2000小时，太阳能的年辐照总量超过1630，由此可见，我国拥有丰富的太阳辐射能资源，但由于受地理纬度、地势条件和气候因素的影响，我国的太阳能资源分布不均，从整体来看，西部的太阳能资源多于东部，而北方也比南方要丰富，其中青海和西藏等地由于地处高原、大气层薄且日照时间长，太阳能资源最为丰富^[1]。

1.1.2 太阳能热发电系统

太阳能热发电，更具体地说就是通过太阳能聚光集热器对太阳光进行聚焦，用吸收的太阳辐射能将传热工质加热至高温，之后高温的传热工质经过换热器放热，温度较低的水流经换热器吸收传热工质放出的热量，温度升高并蒸发进而产生高温、高压的过热蒸汽，过热蒸汽随后进入汽轮机做功，经过喷嘴加速后流经汽轮机的各级，给各级动叶提供动力推动动叶转动，从而推动发电机运转，在电磁感应的作用下回路中产生电能供应给用户。做功后的蒸汽从汽轮机低压缸末级排出，其温度和压力大大降低，进入冷凝器被凝结成水后，经过给水泵被重新送回换热器中，开始新的循环。按这种方式发电的系统我们把它称为太阳能热发电系统。目前太阳能热发电技术已经达到大规模实际应用水平。

1.1.2.1 太阳能热发电系统的基本组成

太阳能热发电系统主要由以下五个子系统组成^[1]：

（1）集热子系统：一种能够将投射在其上的太阳能吸收并转换为热能的装置。它主要包括能吸收太阳能的接收器和能够实时跟踪太阳的运动轨迹并作用于接收器使之始终对准太阳光的跟踪机构。有些集热子系统还有能将太阳能集中起来的聚光器。

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