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首页 【word】 光漏斗导光聚能高温相变储热直接供热式太阳能炉的性能研究

【word】 光漏斗导光聚能高温相变储热直接供热式太阳能炉的性能研究.doc

【word】 光漏斗导光聚能高温相变储热直接供热式太阳能炉的性…

开启永无止境的等待之旅
2017-12-10 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《【word】 光漏斗导光聚能高温相变储热直接供热式太阳能炉的性能研究doc》,可适用于综合领域

【word】光漏斗导光聚能高温相变储热直接供热式太阳能炉的性能研究光漏斗导光聚能高温相变储热直接供热式太阳能炉的性能研究第卷第期年月太阳能ACrAENERCIAESIARIsSINICAVoNoJun,文章编号:()光漏斗导光聚能高温相变储热直接供热式太阳能炉的性能研究郑宏飞,陶涛,何开岩,薛晓迪(北京理工大学机械与车辆工程学院,北京)摘要:设计制作了一台利用光漏斗导光聚能并具有高温相变储热功能的直接供热式太阳能炉,介绍了其结构和运行原理在稳态提供光能的条件下,对其性能进行了实验测试,给出了装置的升温曲线和降温曲线利用ANSYS软件,对其储热过程进行了仿真模拟,给出了模拟结果对影响装置性能的因素进行了分析和讨论结果表明,在提供光能W的条件下,装置h储能达到饱和,温度达到约~C,给用户的供热功率约W,系统散热功率小于W关键词:光导聚能太阳能炉相变储热中图分类号:TK文献标识码:A引言在目前推广使用的太阳集热器中,以全玻璃真空管和全铜平板型集热器为主但这两类集热器能为用户提供的热能均在~(以下,一般只能为用户提供生活热水当用户需要更高温度的热能(~C),如产生高温蒸汽,民用炊事烹调等时,这类太阳集热器一般不能满足要求目前,也有一些直接反射聚焦的太阳灶可用于烹饪功能,但它需要用户直接在阳光下操作,并需要及时跟踪太阳的运动轨迹,由此给用户带来不便,限制了此类装置的推广应用j因此,克服上述缺陷,提高太阳集热器的集热温度,同时为用户提供良好的用能环境,是进一步推广太阳能高温利用的重要手段事实上,利用太阳能进行炊事烹调的研究一直是人们关注的课题为了方便和舒适地利用太阳能进行烹饪,许多学者设计了多种太阳灶或太阳炉其中,France设计的一种多用途复合太阳能灶就是比较有代表性的一种然而,以上研究仍然没有解决取能与用能地点相分离的问题所以,推广中仍然受到很大限制本文设计制作了一台利用光漏斗导光聚能并具有高温相变储热功能的直接供热式太阳能炉,并对之进行了稳态模拟实验该系统的运行原理是,利用特殊构造和设计的光漏斗聚集和传导太阳光,并经太阳炉的进光口输送至太阳炉的集热腔中,在那里太阳光能转化为高温热能,并通过相变材料储存起来供用户随时取用因此,该类系统初步实现了聚能地与用能地的分离及聚能时间与用能时问的分离,解决了用户短时间用能功率大,用能温度高,而普通太阳能装置瞬时提供能量功率小,供能温度低的矛盾新型太阳光漏斗的设计思想经分析不难发现,光漏斗性能的好坏是决定本太阳能炉性能优劣的关键因素之一为此,我们在充分调研和分析计算的基础上,设计了如图所示的新型太阳光漏斗(已申请专利)它主要由部件组成:新型复合抛物面聚光器,圆柱面反射器,倒置抛物面反射器,光导管和传统复合抛物面聚光器(cPC)其中,新型复合抛物面聚光器左边抛物线段的焦点在F,右边抛物线段的焦点在F,太阳光线经圆柱面反射器反射后形成实焦点F,同时点F又是倒置抛物面反射器的焦点位置,因此太阳光经过倒置抛物面反射器反射后转换为平行光利用光导管和传统复合抛物面聚光器(CPC)的传导和汇集,太收稿日期:基金项目:国家自然科学基金()国家高技术研究发展计划()项目(AAZA)通讯作者:郑宏飞(一),男,博士,教授,博士生导师,主要从事太阳能热利用方面的研究hotgfeizhbitedu太阳能卷阳光将会聚成很高能流密度的光束进入太阳炉的集热腔中并转化为热能由于在光导管中传递的是平行光,因而可以传递更长的距离,从而实现聚能地与用能地的分离新型复合抛物面聚光器光线倒置抛物面反射器光导管传统复合抛物面聚光器(CPC)连接法兰圆柱面反射器F一实焦点F,Fr虚焦点图新设计的光漏斗剖面结构FigSchematicdiagramofthelightfunnel高温相变蓄热太阳能炉的结构与运行原理直接供热式高温相变蓄热太阳能炉的外观实物照片如图所示该装置主要由进光口,保温盖,外壳体,导热条,集热腔,蓄热体,供热口导热板和保温材料组成光漏斗的出口端与储能器外壳体上的进光口相连接,使经光漏斗收集的太阳光从进光口导入储能器外壳体内的集热腔中集热腔通过导热条和集热腔导热板与蓄热体紧密接触,可将集热腔内产生的热量迅速导人蓄热体中储存蓄热体置于太阳能炉外壳内,集热腔的上部导热条从集热腔穿过导热板进入蓄热体,起到将集热腔的热量导人蓄热体的作用为了防止散热,外壳体采用具有真空夹层的内外壁结构制成,外壳体的外壁再用可耐高温的绝热材料保温,从而实现装置的高温储能为了阻止热能从进光口传出,在进光口通道上设置了一段透明真空玻璃管为了增加集光效率,在光漏斗和进光口内壁上都贴有高反射膜太阳光通过聚光系统经进光口进入集热腔,在集热腔中光能转化为热能,热能由导热条传人蓄热体实现高温相变储存当用户需要能量时,热能从供热口导热板直接提供给用户装置的剖面结构及相关尺寸如图所示蓄热体内装有kg固固相变材料,该相变材料的升温图高温相变蓄热太阳能炉FigSolarstovewithghtemperaturephase,changethermalstorage保温盖保温层蓄热体进光口集热腔带真空层的外壳体导热条供热口导热板图高温相变蓄热太阳能炉结构不意图FigStructureofsolarstovewithghtemperatureptmsechangethermalstorage相变温度在oC附近,降温相变温度约在oC储能密度约为kJkg在稳态实验中,为使储热材料获得稳定的能量来源,特利用电光源产生W的光束,射人集热腔中,用以为储能材料供热导热条的直径为mm,长度mm,共根供热口导热板的厚度mm,直径mm测试结果及分析为了测试蓄热体内的温度场随加热时间的变化,期郑宏飞等:光漏斗导光聚能高温相变储热直接供热式太阳能炉的性能研究在蓄热体内布置个测试点,其中个在离下部集热腔导热板mm处,从左至右分别记为A,B,C另外卜贝在离供热口导板mm处,从左至右分别记为D,E,F每组测试点中,一个在储热体中轴线上,另两个分别在中轴线左右各ram处测温传感器为铜康铜热电偶,热电偶经过标定热电偶产生的电信号由金立石XMX型数据采集器采集,数据采集器的采集精度等级为,每分钟采集一次装置的外壳体具有真空层,试验时,其真空绝对压力小于Pa,采用TRP一型直联高速旋片式真空泵,抽气速率Ls,极限压力×一Pa太阳能炉储能升温实验反映高温相变蓄热太阳能炉的性能参数主要是储能温度和储能量的大小,为了检验蓄热太阳能炉的性能,特通过装置的集热腔给该太阳能炉提供稳定W的光能,蓄热体内储能材料的温度变化及分布测试实验结果如图所示图的结果说明,在加热的初始阶段,储能材料的温度基本随时问成线性变化,升温速率为,ccmin一直到储能材料温度达到约cc,此时储能材料发生相变,实现相变储能从加热到发生相变储热,约经历了min进入相变储能阶段后,储能材料的温度没有显着升高相变储能阶段约经历了rain由此可初步估计储能材料储能总量约在,相当于储存了kWh电能,加上其显热储能,本装置的一次储能量应在约kWh太阳能炉储能降温实验完成储能过程之后,又进行了降温试验,主要是为了测试蓄热太阳能炉的保温隔热特性太阳能炉蓄热体内不同地点储能材料的温度随时问的变化如图所示图的结果表明,在降温初始阶段,储能材料各点的温度首先趋于一致,然后基本随时问成线性变化,每分钟约降低线性降温一直到储能材料温度达到约~C,然后温度降低变得更加缓慢,这是降温时发生相变的温度此时,装置的温度基本保持不变初步计算表明,其散热功率小于W,只有加热量的,可见装置保温良好,可以满足系统高温储能的功能有无真空保温层的比较因为太阳能炉完成储能后,温度会达到近~C的高温,为了减少散热量,提高储能效率,太阳能炉时间min图太阳能炉蓄热体升温曲线时间rain图太阳能炉蓄热体降温曲线FigCoolingcurveofsolarstovethermalstorageinoss太阳能卷壳体设有真空夹层,可有效阻止太阳能炉的对流换热,如果真空度足够高时,通过热传导形式的散热也可以消除实验时,至少保持真空层的绝对压力小于Pa上述太阳能炉储能升温,降温实验就是在有真空层的情况下进行的为了直观地看出真空层的效果,进行了两组太阳能炉储热对比实验,分别是在有和无真空夹层的情况下进行的比较结果如图所示图的测试结果表明,在太阳能炉储热升温实验中,具有真空层的太阳能炉升温速率明显大于无真空层的,储能材料提前一半时间达到加热相变温度在降温实验中,无真空保温层的蓄热太阳能炉中的储能材料则提前达到冷却相变温度这充分说明了真空层对于保温的重要性如果能进一步提高其真空度,蓄热太阳能炉的散热量会进一步减少,从而使其热效率得到增加太阳能炉为用户直接供热实验为了检验该装置为用户直接提供热量的效果,待储能过程结束,太阳能炉内温度平均达到约~C时,在供热口导热板上放置了不锈钢容器,内装自来水,进行了烧开水试验实验分两个阶段完成,每阶段kg,共使lkg的水沸腾,其中水的初始温度为测量水温的变化,其结果如图所示图为在烧开水实验时,蓄热体内个测试点的温度变化图中曲线所产生的突变,是由于在两次试验的换水中间有一段不取热的时间,在这段时问内,炉内测温点的温度会上升,这是值得注意的结果说明,在实验的开始与结束阶段,装置利用前期储存的显热提供热量,当蓄热体温度达到冷却相变温度,这期间装置释放相变潜热进行供热实验结果表明,第一阶段kg水沸腾耗时min,此时,太阳能炉内的平均温度约为~C第二阶段kg水沸腾耗时min,实验完成后太阳能炉内的平均温度约为clC高温相变蓄热太阳能炉的数值模拟ANSYS软件最强大的功能之一就是分析相变问题无论是金属的铸造过程,合金的热加工过程还是材料热处理问题中的复杂相变问题,都可用ANSYS进行求解因此,我们利用ANSYS软件对本系统的相变蓄热进行了数值模拟由于太阳能炉蓄热体是对称的,所以选取其进行分析赠赠时间rain图蓄热太阳能炉真空保温层的比较实验FigExperimentofsolarstovewithO”withoutva~llllmlayer赠时间min图水的升温曲线FigTemperatureincresingcurveofwater时间min图太阳能炉蓄热体降温曲线FigTemperaturedecreasingcurveofthermalstoragebody期郑宏飞等:光漏斗导光聚能高温相变储热直接供热式太阳能炉的性能研究相变问题实际上是一种非线性的瞬态热分析问题非线性与线性问题的唯一差别就在于非线性问题需要考虑相变问题中吸收或释放的潜热(LatentHeat)ANSYS通过定义材料随温度变化的焓来考虑潜热焓值的变化可描述为密度,比热及温度的函数,并存在如下关系:h:fpc(T)dTJ’式中,密度与比热乘积对温度的积分,JrT利用ANSYS进行相变求解时,高温相变蓄热太阳能炉蓄热体模型的网格划分,如图所示太阳能炉蓄热体内温度场的计算实际上是三维瞬态传热问题,并涉及到相变传热ANSYS提供了相变传热模型,对于本装置的模拟计算,作如下假设:图太阳能炉蓄热体的网格划分FigGridpartitionofsolarstovethermalstorageInass)蓄热体上表面与侧面是绝热的)忽略周围空气对传热的影响)蓄热体内初始温度为~C)供给能量是稳定的,并全部被吸收)固固相变材料的比热容为定值)设定加载热载荷为热流密度q(Wrn)根据上述假设及其装置的实际边界条件,模拟给出了如下计算结果图l,图分别是加热min和rain后,高温相变蓄热太阳能炉蓄热体内温度场图,图l分别是相变材料发生相变过程中及发生相变后,蓄热体内温度场图min后蓄热体内温度场FigTemperaturefieldofthermalstoragemassinmin图min后蓄热体内温度场FigTemperaturefieldofthermalstoragemassinmin图O,图的结果说明相变现象首先发生在蓄热体的底部,并以导热条为中心,向四周扩散蓄热体底部的储能材料完全发生相变后,温度迅速升高,但在实际实验中并不是这样这主要是因为,模拟计算中,除了加热面其它面都作为绝热面考虑,从而忽略了太阳能炉的散热太阳能图相变过程中蓄热体内温度场Fig~mpemturefieldofthemudstoragechangemasswithphase图l相变后蓄热体内温度场FigTemperaturefieldofthermalstoragemasswithphasechangecomplete结论本文设计制作了一台利用光漏斗导光聚能并具有高温相变储热功能的直接供热式太阳能炉,并利用电光源产生W的光束,用以为储能材料供热,卷对其进行了稳态模拟实验实验结果表明,在储热升温阶段,太阳能炉蓄热体温度经过rain达到~C,一次储能量约在kWh太阳能炉壳体内的真空夹层,有效阻止了其散热,散热功率小于W,装置保温良好,可以满足系统高温储能的功能在装置储能升温结束后,进行了直接供热实验,使lkg,~C的水沸腾此外,在一定假设条件下,对太阳能炉蓄热体内温度场进行了模拟计算,计算结果符合实际情况参考文献任宏琛,陈晓夫太阳灶技术M北京:化学工业出版社,黄志光,吴广忠,戴绪绮,等聚光太阳灶用金属相变贮能装置的研究J太阳能,,:OzturkHHExperimentaldeterminationofenergyandexergyefficiencyofthesolarparaboliccookerJSolarEnergy,:DonkanskiR,E一SebaiiAA,JaworskiMCookingduringoffsunshinehoursusingPCMsasstoragemediaJEnergy,:PohekarSD,RamachandranMMulticriteriaevaluationofcookingdeviceswithspecialreferencetoutilityofparabolicsolarcooker(PSC)inIndiaJEnergy,,:FranceJ,CadenaC,SaraviaLMultipleuseconqlnLinalsolareookersJJSolarEnergy,,:lHeKaiyan,ZhengHongfei,HuYixin,etaAnimagingcompoundingparabolicconcentratorJISESSolarwrldCongress,,:PERFoRIANCESTUDYoNDECTPRoV)INGHEATSoLARSToVE删LIGHTIIGI加DDGUGHTCoLLECTIoNEJERGYANDHIGHrI’】皿’ERArl【瓜EPHASECHANGETHERMAISToRAGEZhengHongfei,TaoTao,HeKaiyan,XueXiaodi(SchoolofMechanicalandVehicular,eiji~lnstiuaeofTechnology,Beijingoo,China)Abstract:ThestructureandtheoperationprincipleofanewsolarstovewithlightguideassemblingenergyandhighternpemmrephasechangethermalstorageweredesignedandintroducedinthispaperThecorrelativeexperimentswerecarriedoutunderthesteadystateprovidedlightenergyThetemperaturechangingcurvesofthestoragebodywiththetimeinheatingorcoolingprocessesweregivenoutThe~alstorageprocessesoftheunitwerenumericallyresearchedwithsoftwareANSYS,andthesimulationresultswerepresentedTheresultsindicatethattheunitCanattain~CandsaturatewhenitisprovidedWsteadylightsourceforhours,andCansupplyhotpowerforconsumerbiggerthanWanditsheatlosspowerlessthanWKeywords:lightguideassemblingenergysolarstovephasechangestorageheatjJJJ

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