毕业论文(设计)槽式太阳能聚光集热系统设计研究.pdf
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1、分 类 号 学号 M201070775学校代码10487 密级详中科技大牙硕士学位论文槽式太阳能聚光集热系统设计研究学位申请人:学科专业:指导教师:答辩日期:独创,性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:日期:年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留并向国家有关部门或机
2、构送交论文的复印件和电子版,允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。保密口,本论文丁,一 不保密口。在年解密后适用本授权书。(请在以上方框内打“4”)学位论文作者签名:指导教师签名:日期:年 月 日日期:年 月 日华中科技大学硕士学位论文摘 要槽式太阳能集热技术是近年应用越来越广泛的清洁能源技术。我国有丰富的太阳 能资源,太阳能集热技术在我国有良好的发展前景。槽式太阳能集热系统除了可以发 电使用外,还可以在工业领域内大规模应用。鉴于我国目前还没有成熟的商用槽式太 阳能集热系统
3、,本文对槽式太阳能集热系统的设计和应用展开研究,主要内容如下:通过对太阳辐射相关的基本概念和参数的介绍,研究了晴空条件直接太阳辐射的 计算,使用Matlab中的simulink工具建立了直接太阳辐射的计算模型,并选用不同城 市的实测结果与之对比,结果显示模型的最大相对误差不超过10%,证明模型具有一 定的精确度,可用于直接太阳辐射的估算;研究了槽式太阳能集热器光学效率的计算 方法,使用simulink建立了槽式太阳能集热器光学效率计算模型,并以此模型与实际 的LS-2、LS-3型槽式太阳能集热器做对比,经验证,槽式太阳能集热器光学效率计 算模型的相对误差小于5%,具有一定的精确度,可用于槽式太
4、阳能集热器光学效率 的计算。研究了槽式太阳能集热器真空管的换热过程,分析了真空管的基本换热过程,在 此基础上提出了真空管集热器热损失的计算方法,并用simulink工具采用循环迭代的 方法建立了太阳能集热器真空管热损失计算模型,并和LS-2实验结果对比,结果显 示最大相对误差不超过6%,证明此模型具有一定的精确度,可用于槽式真空管的热 损分析和设计;提出了集热场集热效率计算和集热场布局设计方法,并使用simulink 建立了模型。针对某油田的蒸汽负荷状况,设计了槽式太阳能油田蒸汽生产系统方案,计算了 不同蒸汽参数下集热场的布局状况;在此基础上对不同方案的蒸汽参数和集热场面积 关系进行了分析,发
5、现集热场面积变化趋势与蒸汽参数变化基本成正比关系,但集热 场的布置的影响会使总体趋势出现一定的波动;分析了同一蒸汽参数下最佳的集热场 出口温度,得出当集热场出口温度与蒸汽温度端差较小时集热场占地面积较小;分析 了不同方案的月均蒸发量,得出采用蓄热方式可以有效的改善蒸汽生产的波动性,保 华中科技大学硕士学位论文持蒸汽产量的稳定性的结论;分析了不同蓄热时长对蒸汽生产的影响,5h蓄热时长 可以同时兼顾能量的充分利用和蒸汽生产的平稳性。介绍了槽式太阳能集热实验系统的基本原理和实验参数的设定,阐述了实验系统 中槽式太阳能集热器、管路热系统和数据采集监控系统的构成,搭建了槽式太阳能集 热实验系统,可用于槽
6、式太阳能集热器热性能和槽式集热实验系统的运行研究。关键词:太阳能集热场槽式集热器设计华中科技大学硕士学位论文AbstractThe parabolic trough solar concentrating technology is a kind of clean energy technologies which is used more and more in recent years,China has abundant solar energy resources,solar concentrating technology has good prospects fbr develop
7、ment trough solar collector system in China.Not only used in generating electricity,the parabolic trough solar concentrating system also can be used fbr large-scale application in the industrial field.Taking into account that we have no mature commercial trough solar concentrating system,this disser
8、tation research solar collector system design and application,the main content is as follows:By introducing the basic concepts and parameters of the solar radiation,the dissertation established a computational model of direct solar radiation and carried out it by Simulink tools in Matlab software;co
9、mpared the measured results and the results showed that maximum relative error of model does not exceed 10%,and prove that the model has a certain precision,can be used fbr the estimation of the direct solar radiation;established a computational model of trough solar collector optical efficiency and
10、 used Simulink to build trough solar collector optics efficiency calculation model,by comparing with the actual LS-2,LS-3 type trough solar collectors,proven trough solar collector optical efficiency calculation model relative error of less than 5%.The dissertation analyzed heat transfer process of
11、trough solar collector vacuum tube established a vacuum tube collector heat loss calculation method and achieved it by Simulink tools with iterative algorithm,and LS-2 experimental results showed that the maximum relative error does not exceed 6%,proving vacuum tube heat loss model can be used to pr
12、ove that this model has a certain accuracy;found the collection efficiency of the collector field and the solar collector field layout design method,and use Simulink established a model.The dissertation introduced Steam load conditions of an oilfield Resigned trough solar oilfield steam production s
13、ystem programs and calculated the layout of the collector field under different steam parameters;compared steam parameters of different programs with collector field area,found collector field area trends is basically same with steam ill华中科技大学硕士学位论文parameters change,but the impact of the collector f
14、ield layout make the overall trend appears certain fluctuations;analyzed the same steam parameters under different outlet temperature?the best collector field outlet temperature obtained when the outlet temperature of the collector field closest to the steam temperature;analyzed of the monthly avera
15、ge evaporation of the different programs and found using thermal storage can effectively improve the production of steam volatility,maintaining the stability of steam production;analyzed the impact of the different regenerative duration of steam production,5h regenerative length can make full use of
16、 both energy and steam production steady.The dissertation introduced the basic principles of the trough solar collectors experimental system and the set of experimental parameters;Elaborate the experimental system trough solar collectors,piping hot system and data acquisition monitoring system and b
17、uilt trough solar collector experimental system which can be used to run trough solar collector thermal performance and trough collector experimental study.Keywords:Solar power Solar collector field Parabolic trough solar collector DesignI V华中科技大学硕士学位论文目录摘 要.IAbstract.Ill1绪论.11.1 课题研究的背景及意义.11.2 槽式太
18、阳能集热器研究现状.21.3太阳能聚光热利用技术研究现状.61.4 本文研究内容.122槽式太阳能集热器光学系统建模及计算.132.1 太阳辐射相关的基本概念和参数.132.2 直接太阳辐射的计算.172.3 槽式太阳能集热器光学效率的计算.202.4 本章小结.273槽式太阳能集热器热力系统建模及计算.283.1 太阳能集热管换热模型.283.2 太阳能集热场热力建模.393.3本章小结.424槽式太阳能蒸汽生产系统设计及分析.434.1稠油油田蒸汽负荷分析.434.2 稠油油田蒸汽生产系统方案设计.454.3 槽式太阳能蒸汽生产系统方案分析.624.4本章小结.675槽式太阳能集热系统实验
19、设计.675.1实验系统的目的和原理.685.2实验系统本体构成.72v华中科技大学硕士学位论文6总结和展望.796.1全文总结.796.2研究展望.80致谢.81参考文献.82附录研究生期间工作.87VI华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1 课题研究的背景及意义1.1.1 太阳能与中国能源问题中国是世界上最大的发展中国家,也是经济发展速度最快的国家之一,经济的 增长和人口的压力对中国的能源供给提出了挑战。中国的能源消费结构中,煤炭资 源所占的比重是最大的,其次是石油,然后是水电和核能,2010年它们的比例依次 为70.5%、17.6%、6.7%和0.7%,而可再生能源所占的比例只有0.5%,
20、非可再生 能源却高达99.5%1O 2007年,中国石油对外依赖度达到50%,开始进入能源预 警期;2010年,中国原油进口 2.39亿吨,出口 303万吨,国内产量2.03亿吨,对 外依赖度为53.8%,较2009年的51.3%增长了 2.5个百分点;2011年我国石 油对外依存度达到56.5%,比2010年上升了 1.7个百分点。煤炭、石油大量生产 和使用中存在一系列问题,如资源回采率低、浪费严重,安全事故多发、死亡率高,对地表生态和地下水系破坏大。此外,煤炭生产和消费中产生的SO2、粉尘、CO2 等是大气污染和温室气体的主要来源。这说明中国面临着资源紧缺、能源消费结 构单一、能源对外依存
21、度高、污染严重的问题。因此,调整和优化能源结构是中国 想要实现可持续发展必然要走的道路。实现这一转变最重要的一个途径便是大力发展清洁可再生能源。太阳能是一种 资源丰富,无需运输,又不会污染环境的最佳自然资源。地球所接受的太阳能功率,平均为1367w/n)2(即所谓的“太阳常数)即太阳每秒照射到地球上的能量约为500 万吨煤当量4。我国太阳能资源非常丰富,最丰富的地区包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西藏西部等地。全国陆地表面每年接收的太阳辐射相当于 49000亿吨标准煤,将其用来发电相当于万个三峡电站的发电总和。因此,研究 华中科技大学硕士学位论文和发展太阳能利用技术是解决中国能源问
22、题的一个很好的切入点,能够在一定程度 上优化中国的能源结构和产业布局。1.1.2 课题的意义太阳能热利用系统的主要部件为太阳能集热器,中高温太阳能集热器为太阳能 热量的大规模利用提供了可能性。抛物面槽式集热系统是目前在国外大规模应用的 中温型集热系统,是目前太阳能热发电技术中相对比较成熟且已经在国外商业化的 一项技术。自二十世纪九十年代以来,美国作为太阳能光热利用的先驱已经陆续建 成十几座抛物面槽式太阳能集热器场,每年有接近4000小时的运行小时数,年供应 约11亿千瓦时的电能。西班牙,德国等国家也在大力研究槽式太阳能热力发电站 的运行和控制,并建立了相应的电站,这些电站运行表明,槽式太阳能热
23、发电技术 是一种很有前途的新兴技术,具有很好的经济性。槽式集热器是槽式太阳能集热系统的核心元件,因此,很有必要对抛物面槽式 太阳能集热器原理进行研究,分析其热力性能,从而能够为太阳能集热器的设计和 改进提供参考依据。由太阳能集热器所组成的集热场是太阳能集热系统的主体部分,太阳能集热场的设计和布局对整个集热系统的运行性能和经济性至关重要,对于太 阳能场的性能和布局的研究能够为我国的槽式太阳能集热系统提供参考。太阳能集热系统除了在高温热发电领域大规模应用,在工业热利用领域也有充 分的发展,油田采油工业流程中需要消耗大量的能源进行蒸汽生产,研究太阳能集 热系统的工业应用特别是油田采油工业的应用,能够
24、进一步拓宽太阳能集热场系统 的应用范围,从而促进太阳能产业的稳定有序的发展。1.2 槽式太阳能集热器研究现状1.2.1 槽式太阳能集热器国外研究现状槽型太阳能集热器主要由抛物面反射镜、玻璃真空集热管、支架和跟踪控制系 统四部分所组成,国外早在19世纪90年代便对槽式太阳集热器展开了研发,主要 2华中科技大学硕士学位论文的研究机构包括美国的国家可再生实验室NREL(National Renewable Energy Laboratory)国际能源机构 I EA(I ntemational Energy Agency)、Luz 公司、Glasspoint 公司、Skyfiiel公司、Solar M
25、illennium公司、西门子公司等。目前取得的进展如下:欧盟支持下的太阳能集热器研究项目Euro Trough对其槽型抛物而集热器的性 能进行了测试。该集热器已通过有限元模拟进行了优化设计,集热器的光学性能比 LS-3型集热器进一步提高,而成本却变得更低网。Skyfuel公司开发了太阳能集热器产品Skytrough,SkyTrough集热器设计延续 了传统玻璃镜面抛物槽式系统的可靠性。由于其重要的设计和材料的创新,产生一 些经济和性能上的优势,包括使用ReflecTech镜面膜替代凹面玻璃,回转液压驱动 系统。SkyTrough的高反射率表面是一层非玻璃的银质金属聚合物薄膜,称为 Refle
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