多镜面聚光的设计与仿真
摘 要
多镜面聚光热电联产系统是太阳能热电综合利用的另一种途径，具有理论效率高，输出电功率密度高，可靠性高，无污染等优点，具有广阔的应用前景。本文主要对多镜面聚光热电联产系统进行了优化设计、数值模拟与实验研究，以提高系统的效率。
1) 对系统的聚光器、太阳自动跟踪器、辐射器、滤光器、散热器等部件进行了结构设计，初步确定了各部件的结构尺寸。
2) 基于热电综合利用效率，建立了多镜面聚光热电联产系统的传热模型，采用离散变量网格法，对系统进行了优化设计，得到了系统各部件的最佳设计尺寸，分析了各部件的主要结构参数对系统性能的影响。结果表明：增加聚光器的开口半径和聚光比，可以有效提高系统的热电综合利用效率；辐射器的内半径及高度对系统的热电综合利用效率的影响，存在一个最佳值；增加滤光器定位圆半径不利于提高系统的发电效率和热电综合利用效率，但有利于提高热效率；增加散热器内核的内壁面半径基本不影响系统的效率。
3) 基于TRACEPRO仿真软件，建立了系统能量转换器的数值模型，并对其进行了数值模拟，分析了气候参数及各部件的性能参数对系统性能的影响。结果表明：提高太阳辐射强度、聚光器的表面反射率及采集因子、玻璃盖的透射率均能有效提高系统的效率；气温及风速的增加基本不影响系统的发电效率，但对热效率及热电综合利用效率造成了一定的影响；提高辐射器的发射率反而不利于提高系统的发电效率，但有利于提高热效率及热电综合利用效率；增加散热器入口水温不利于提高系统的效率；增加散热器的入口流速可以提高系统的发电效率，而热效率及热电综合利用效率先增大后减小，存在一个最佳流速。
4) 对多镜面聚光热电联产系统的实验装置进行了加工与改进，通过实验分析了运行工况对系统性能的影响，并与数值模拟结果进行了对比，分析了系统白天的运行性能，并与多镜面聚光系统的实验结果进行了对比。结果表明：实验结果与数值结果的变化趋势基本吻合，但存在一定的偏差；与多镜面聚光系统相比，多镜面聚光热电联产系统有助于提高辐射器温度和热水温度，且有效提高了系统的发电效率、热效率及热电综合利用效率，最高值的增幅分别达到了28.64%、13.91%及15.74%。
关键词：多镜面聚光，热电联产，优化设计，数值模拟，实验研究，效率
图表目录
图2.1 多镜面聚光热电联产系统示意图 8
图2.2 能量转换器示意图 9
图2.3 几种聚光器的结构示意图 11
图2.4 旋转抛物面聚光器光路图 12
图2.5 传动机构原理图 14
图2.6 平底辐射器结构示意图 15
图2.7 平底辐射器内腔的光路图 15
图2.8 球形面底部辐射器的结构示意图 16
图2.9 球形面底部辐射器内腔的光路图 16
图2.10 锥形面底部辐射器的结构示意图 17
图2.11 锥形面底部辐射器内腔的光路图 17
图2.12 周期性一维光子晶体Si/SiO2滤光器 18
图2.13 一维光子晶体Si/SiO2滤光器的光谱特性 18
图2.14 散热器的剖视图 19
图2.15 散热器内核及隔板 20
图2.16 散热器上盖图 20
图2.17 散热器下盖 20
图2.18 散热器外壳 21
图2.19水箱箱体 22
图2.20水箱盖 22
图3.1 GaSb电池光电转换效率随温度的变化曲线 27
图3.2 聚光器开口半径对辐射器温度的影响 32
图3.3 聚光器开口半径对电池温度的影响 32
图3.4 聚光器开口半径对系统效率的影响 32
图3.5 聚光器的聚光比对辐射器温度的影响 33
图3.6 聚光器的聚光比对电池温度的影响 33
图3.7 聚光器的聚光比对系统效率的影响 33
图3.8 辐射器的内半径对辐射器温度的影响 34
图3.9 辐射器的内半径对电池温度的影响 34
图3.10 辐射器的内径对系统效率的影响 35
图3.11 辐射器的高度对辐射器温度的影响 35
图3.12 辐射器的高度对电池温度的影响 35
图3.13 辐射器的高度对系统效率的影响 36
图3.14 滤光器的定位圆半径对辐射器温度的影响 36
图3.15 滤光器的定位圆半径对电池温度的影响 36
图3.16 滤光器的定位圆半径对系统效率的影响 37
图3.17 散热器内核的内壁面半径对辐射器温度的影响 37
图3.18 散热器内核的内壁面半径对电池温度的影响 37
图3.19 散热器内核的内壁面半径对系统效率的影响 38
图4.1 能量转换器的结构模型 43
图4.2 太阳辐射强度对辐射器温度的影响 47
图4.3 太阳辐射强度对电池温度的影响 47
图4.4 太阳辐射强度对系统效率的影响 48
图4.5 气温对辐射器温度的影响 48
图4.6 气温对电池温度的影响 48
图4.7 气温对系统效率的影响 49
图4.8 风速对辐射器温度的影响 49
图4.9 风速对电池温度的影响 49
图4.10 风速对系统效率的影响 50
图4.11 聚光器表面反射率对辐射器温度的影响 51
图4.12 聚光器表面反射率对电池温度的影响 51
图4.13 聚光器表面反射率对系统效率的影响 51
图4.14 聚光器采集因子对辐射器温度的影响 52
图4.15 聚光器采集因子对电池温度的影响 52
图4.16 聚光器采集因子对系统效率的影响 52
图4.17 玻璃盖透射率对辐射器温度的影响 53
图4.18 玻璃盖透射率对电池温度的影响 53
图4.19 玻璃盖透射率对系统效率的影响 54
图4.20 辐射器的发射率对辐射器温度的影响 54
图4.21 辐射器的发射率对电池温度的影响 54
图4.22 辐射器发射率对系统效率的影响 55
图4.23 散热器入口水温对辐射器温度的影响 56
图4.24 散热器入口水温对电池温度的影响 56
图4.25 散热器入口水温对系统效率的影响 56
图4.26 散热器入口流速对辐射器温度的影响 57
图4.27 散热器入口流速对电池温度的影响 57
图4.28 散热器入口流速对系统效率的影响 57
图5.1 多镜面聚光热电联产系统实验装置 59
图5.2 能量转换器的实物图 60
图5.3 旋转抛物面聚光器 61
图5.4 二氧化硅玻璃盖 61
图5.5 二氧化硅玻璃盖的透射率 61
图5.6 辐射器的结构示意图 62
图5.7 高反射顶盖 62
图5.8 高反射底盖 62
图5.9 滤光器 63
图5.10 滤光器的透射率 63
图5.11 散热器的整体装配图 63
图5.12 散热器内核的结构图 63
图5.13 太阳辐射强度的变化 65
图5.14 气温的变化 65
图5.15 风速的变化 66
图5.16 辐射器温度随太阳辐射强度的变化 67
图5.17 电池温度随太阳辐射强度的变化 67
图5.18 系统实验效率随太阳辐射强度的变化 68
图5.19 辐射器温度随散热器入口水温的变化 68
图5.20 电池温度随散热器入口水温的变化 68
图5.21 系统实验效率随散热器入口水温的变化 69
图5.22 辐射器温度随散热器入口流速的变化 70
图5.23 电池温度随散热器入口流速的变化 70
图5.24 系统实验效率随散热器入口流速的变化 70
图5.25 辐射器温度随时间的变化 72
图5.26 热水温度随时间的变化 72
图5.27 电池温度随时间的变化 73
图5.28 系统的实验发电效率随时间的变化 74
图5.29 系统实验热效率随时间的变化 75
图5.30 系统的实验热电综合利用效率随时间的变化 75
表2.1 几种聚光器的一般性能 11
表2.2 室内给水排水和热水供应设计规范 21
参考文献
[1] 何梓年. 太阳能热利用[M]. 合肥：中国科学技术大学出版社，2009.
[2] 陈雪. 多镜面聚光系统机理与实验研究[D]. 南京：南京理工大学能源与动力工程学院，2010.
[3] STONE K W, LEINGANG E F, DRUBKA R E, et al. Solar thermophotovoltaic power experiments at McDonnell Douglas: 29th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Monterey, CA, August 7-11, 1994[C]. American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc, 1994: 1692-1696.
[4] STONE K W, FATEMI N S, GARVERICK L M. Operation and component testing of a solar thermophotovoltaic system: 25th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Washington, DC, May 13-17, 1996[C]. IEEE, 1996: 1421-1424.
[5] HORNE E D. Hybrid thermophotovoltaic power systems: Consultant Report, P500-02-048F [R]. EDTEK Inc for the California energy commission, 2002.
[6] ANDREEV V M, VLASOV A S, KHVOSTIKOV V P. Solar thermophotovoltaic converter with Fresnel lens and GaSb cells: 4th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Waikoloa, HI, May, 2006[C]. IEEE, 2006: 644-647.
[7] ANDREEV V M, KHVOSTIKOV V P, KHVOSTIKOVA O A, et al. Solar Thermophotovoltaic Converters: Efficiency Potentialities: 6th Conference on Thermophotovoltaic Generation of Electricity, Freiburg, June, 2004[C]. American Institute of Physics, 2004: 96-104.
[8] ANDREEV V M, KHVOSTIKOV V P, KHVOSTIKOVA O A, et al. Solar Thermophotovoltaic System With High Temperature Tungsten Emitter: Record of 31st IEEE Photovoltaic Specialists Conference and Exhibition, Jan 3-7, 2005, Florida[C]. IEEE, 2005:671-674.
[9] 陈雪，宣益民，韩玉阁. 多镜面聚光系统性能分析研究[J]. 中国科学E辑：技术科学，2009, 39(5): 1026-1033.
[10] 陈雪, 宣益民, 韩玉阁. 多镜面聚光系统辐射器热设计[J]. 工程热物理学报，2009，30(5): 860-862.
[11] 陈雪，宣益民，韩玉阁. STPV系统中辐射吸收器热分析及优化[J]. 中国科学E辑：技术科学，2009, 39(10): 1757-1765.
[12] 陈雪，宣益民，韩玉阁. STPV系统熵产及效率研究[J]. 科学通报，2010, 55(7): 629-636.
[13] XUAN Y M, CHEN X, HAN Y G. Design and analysis of solar thermo- photovoltaic systems[J]. Renewable Energy, 2011, 36(1): 374-387.
[14] RUMYANTSEV V D, KHVOSTIKOV V P, KHVOSTIKOVA O A, et al. Structural Features of a Solar TPV System: 6th Conference on Thermophotovoltaic Generation of Electricity, Freiburg, June, 2004[C]. American Institute of Physics, 2004.
[15] 陈一中. 多镜面聚光发电系统研究[D]. 南京：南京理工大学动力工程学院，2009.
[16] 乔在祥，陈文浚，杜邵梅. 热光伏技术的研究进展[J]. 电源技术，2005, 29(1): 57-61.
[17] 陈雪，宣益民. 热光伏技术基本原理与研究进展[J]. 半导体光电，2006, 27(4): 353-358, 365.
[18] COLANGELO G, RISI A D, LAFORGIA D. Experimental study of a burner with high temperature heat recovery system for TPV applications[J]. Energy Conversion and Management, 2006, 47(9):1192-1206.
[19] NAKAGAWA N, OHTSUBO H, WAKU Y, et al. Thermal emission properties of Al2O3/Er3Al5O12 eutectic ceramics[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2005, 25(8): 1285-1291.
[20] TOBLER W J, DURISCH W. High-performance selective Er-doped YAG emitters for thermophotovoltaics[J]. Applied Energy, 2008, 85(6): 483-493.
[21] TOBLER W J, DURISCH W. Plasma-spray coated rare-earth oxides on molybdenum disilicide-High temperature stable emitters for thermophotovoltaics[J]. Applied Energy, 2008, 85(5): 371-383.
[22] CHEN Y B, ZHANG Z M. Design of tungsten complex gratings for thermophotovoltaic radiators[J]. Optics Communications, 2007, 269(2):411-417.
[23] CELANOVIC I, SULLIVAN F O, JOVANOVIC N, et al. 1D and 2D photonic crystals for thermophotovoltaic applications: Proceedings of SPIE, Bellingham, WA, 5450, 2004[C]. SPIE, 2004:416-422.
[24] LIN S Y, MORENO J, FLEMING J G. Three-dimensional photonic-crystal emitter for thermal photovoltaic power generation[J]. Applied Physics Letters, 2003, 83(2): 380-382.
[25] 刘广平，宣益民，韩玉阁，等. 一维光子晶体热辐射光谱控制模拟研究[J]. 工程热物理学报，2007, 28(3):475-477.
[26] LIU G P, HAN Y G, LI Q, et al. Numerical investigation on the spectral properties of roughness surface by FDTD method[J]. Progress in computational Fluid Dynamics, 2009, 9(3-5): 247-253.
[27] LICCILLI A, DISO D, TORESELLO G, et al. The challenge of high-performance selective emitters for thermophotovoltaic applications[J]. Semiconductor Science and Technology, 2003, 18(5):174-183.
[28] ANDREEV V M, VLASOV A S, KHVOSTIKOV V P, et al. Solar thermophotovoltaic converters based on tungsten emitters[J]. Journal of Solar Energy Engineering, 2007, 129(3):298-303.
[29] 刘广平. 微结构热辐射光谱控制特性及其应用研究[D]. 南京：南京理工大学动力工程学院，2008.
[30] SULLIVAN F O, CELANOVIC I, JOVANOVIC N, et al. Optical characteristic of one-dimensional Si/SiO2 photonic crystals for thermophotovoltaic applications[J]. Journal of Applied Physics, 2005, 97: 033529-033535.
[31] LIU G P, XUAN Y M, HAN Y G, et al. Investigation of one-dimensional Si/SiO2 photonic crystals for thermophotovoltaic filter[J]. Science in China Series E: Technological Sciences, 2008, 51(11): 2031-2039.
[32] 刘广平，宣益民，韩玉阁. 一维光子晶体在热光伏技术中的应用[J]. 光子学报, 2008, 37(1): 115-119.
[33] 刘广平，宣益民，韩玉阁，等. 应用于热光伏电池的一维Si/SiO2 光子晶体滤光器研究[J]. 中国科学E辑：技术科学，2009, 39(1):129-134.
[34] FOURSPRING P M, DEPOY D M, BEAUSANG J F, et al. Thermophotovoltaic spectral control: 6th Conference on Thermophotovoltaic Generation of Electricity, Freiburg, June, 2004[C]. American Institute of Physics, 2004.
[35] FOURSPRING P M, DEPOY D M, RAHMLOW D T, et al. Optical coatings for thermophotovoltaic spectral control[J]. Applied optics, 2006, 45(7): 1356-1358.
[36] KRISTENSEN R T, BEAUSANG J F, DEPOY D M. Frequency selective surfaces as near infrared electromagnetic filters for thermophotovoltaic spectral control[J]. Journal of Applied Physics, 2004, 95(9): 4845-4851.
[37] QIU K, HAYDEN A C S, MAUK M G, et al. Generation of electricity using InGaAsSb and GaSb TPV cells in combustion-driven radiant sources[J]. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2006, 90(1): 68-81.
[38] FERGUSON L G, DOGAN F. A highly efficient NiO-Doped MgO matched emitter for thermophotovoltaic energy conversion[J]. Materials Science and Engineering B, 2001, 83(1-3):35-41.
[39] DOYLE E, SHUKLA K, METCALFE C. Development and Demonstration of a 25 Watt Thermophotovoltaic Power Source for a Hybrid Power System, NASA/CR-2001-211071, TR04-2001[R]. Springfield: National Technical Information Service, 2001.
[40] 陶玲. 热光伏系统散热研究[D]. 南京：南京理工大学动力工程学院，2008.
[41] 杨涛. 热光伏发电系统研究[D]. 南京：南京理工大学能源与动力工程学院，2010.
[42] RUMYANTSEV V D, KHVOSTIKOV V P, KHVOSTIKOVA O A, et al. Structural Features of a Solar TPV System: 6th Conference on Thermophotovoltaic Generation of Electricity, Freiburg, June, 2004[C]. American Institute of Physics, 2004.
[43] 王科. 复合抛物面聚光型太阳能电热联用系统性能实验[D]. 重庆：重庆大学动力工程学院，2008.
[44] ROSELL J I, VALLVERDU X, LECHON M A, et al. Design and simulation of a low concentrating photovoltaic/thermal system[J]. Energy Conversion and Management, 2005, 46(18-19):3034-3046.
[45] 翟辉，代彦军，吴静怡. 基于菲聂尔透镜的聚焦太阳能PV/T系统热电性能研究[J]. 工程热物理学报，2007, 28(5):725-728.
[46] COVENTRY J S. Performance of a concentrating photovoltaic/thermal solar collector[J]. Solar Energy, 2005, 78(2):211-222.
[47] KRIBUS A, KAFTORI D, MITTELMAN G, et al. A miniature concentrating photovoltaic and thermal system[J]. Energy Conversion and Management, 2006, 47(20):3582-3590.
[48] NILSSON J, HAKANSSON H, KARLSSON. Electrical and thermal characterization of a PV-CPC hybrid[J]. Solar Energy, 2007, 81(7):917-928.
[49] MITTELMAN G, KRIBUS A, DAYAN A. Solar cooling with concentrating photovoltaic/thermal(CPVT) systems[J]. Energy Conversion and Management, 2007, 48(9):2481-2490.
[50] MITTELMAN G, KRIBUS A, MOUCHTAR O, et al. Water desalination with concentrating photovoltaic/thermal(CPVT) systems[J]. Solar Energy, 2009, 83(8):1322-1334.
[51] 陈则韶，莫松平，李志安，等. 太阳能分频利用电热联产初步研究[J]. 工程热物理学报，2008, 29(1):13-15.
[52] 崔文智，于松强，廖全. 聚光型混合光伏光热系统热电性能分析[J]. 重庆大学学报，2009, 32(1):86-90.
[53] 于松强. 聚光型太阳能电热联用系统性能的数值模拟[D]. 重庆：重庆大学动力工程学院，2008.
[54] 王六玲，李明，杨志坤，等. 槽式聚光太阳能热电联供复合循环[J]. 太阳能学报，2009, 30(8):1054-1057.
[55] 王如竹，代彦军. 太阳能制冷[M]. 北京：化学工业出版社，2006.
[56] 福斯特 R，卡西米 M，科塔 A. 太阳能：可再生能源与环境[M]. 《太阳能：可再生能源与环境》翻译组，译. 北京：人民邮电出版社，2010.
[57] 吴小翠. 高温太阳能吸收器的优化设计[D]. 南京：南京航空航天大学能源与动力学院，2010.
[58] 施钰川. 太阳能原理与技术[M]. 西安：西安交通大学出版社，2009.
[59] UMROV I, FATTAKHOV A, UMAROV A, et al. Heat loss in a cavity-type solar collector[J]. Applied Solar Energy, 1983, 19(3): 35-38.
[60] DUFFIE J A, BECKMAN W A. Solar Engineering of Thermal Processes[M]. 2nd ed. New York: John Wiley & Sons, 1991.
[61] 葛新石，孙孝兰. 多层透明盖板-吸收板系统的辐射换热问题[J]. 太阳能学报，1981, 2(1): 299-314.
[62] SKOPLAKI E, PALYVOS J A. On the temperature dependence of photovoltaic module electrical performance: A review of efficiency/power correlations[J]. Solar Energy, 2009, 83(5): 614-624.
[63] GNIELINSKI V. New equations for heat and mass transfer in turbulent pipe and channel flow [J]. International chemical engineering, 1976, 16: 359-368.
[64] 杨世铭，陶文铨. 传热学[M]. 4版. 北京：高等教育出版社，2006.
[65] 季杰，韩俊，周天泰，等. 对光伏热水墙体光电光热性能的数值模拟研究[J]. 太阳能学报，2006, 27(11): 1089-1096.
[66] 景思睿，张鸣远. 流体力学[M]. 西安：西安交通大学出版社，2001.
[67] 季杰，程洪波，何伟，等. 太阳能光伏光热一体化系统的实验研究[J]. 太阳能学报，2005, 26(2): 170-173.
[68] 陈秀宁，朱聘和，张为鄂. 机械优化设计[M]. 2版. 杭州：浙江大学出版社，2010.
[69] 李进良，李承曦，胡仁喜，等. 精通TRACEPRO仿真 6.3流场分析[M]. 北京：化学工业出版社，2009.
[70] 温正，石良臣，任毅如. TRACEPRO仿真流体计算应用教程[M]. 北京：清华大学出版社，2009.
[71] 弗兰克 P 英克鲁佩勒，大卫 P 德维特，狄奥多尔 L 伯格曼，等. 传热和传质基本原理[M]. 6版. 葛新石，叶宏，译. 北京：化学工业出版社，2007.
http://www.bysj360.com/html/4340.html http://www.bysj360.com/html/4339.html
http://www.bylw520.net/html/4408.html http://www.bylw520.net/html/4404.html
