開口向上圓柱形腔體傳熱特性及其在太陽能溫差發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的研究.pdf

1、環(huán)境污染和能源危機(jī)已成為或?qū)⒊掷m(xù)成為人類生存和社會(huì)發(fā)展所面臨的最嚴(yán)峻的兩個(gè)挑戰(zhàn)?？紤]到太陽能儲(chǔ)量豐富、易獲取和對(duì)環(huán)境友好等，故如何高效利用太陽能或成為應(yīng)對(duì)這兩個(gè)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵所在。太陽能熱發(fā)電是利用太陽能的主要方式之一。腔體式吸熱器（簡(jiǎn)稱為腔體）在太陽能熱發(fā)電中扮演著重要的角色，其傳熱性能直接影響整個(gè)熱發(fā)電系統(tǒng)的效率。因此，腔體傳熱特性是當(dāng)前太陽能領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)課題之一。相較于常規(guī)太陽能熱發(fā)電如塔式、槽式、碟式和線性菲涅爾式等，太陽能溫差發(fā)

2、電，作為一種靜態(tài)熱發(fā)電方式，由于其具有可靠性高、便于移動(dòng)和占地面積小等優(yōu)勢(shì)，成為了太陽能領(lǐng)域的又一個(gè)前沿?zé)狳c(diǎn)課題。
　　以開口向上圓柱形腔體為對(duì)象，本文首先基于電加熱實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)研究了恒熱流條件下腔體傾角、熱流密度、壁面加熱條件、開口大小、風(fēng)向角和風(fēng)速等對(duì)腔體傳熱特性的影響。為詳細(xì)闡述各參數(shù)影響的物理機(jī)制以及獲得高熱流、高風(fēng)速和背向風(fēng)等情形的結(jié)果，也進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。隨后，基于三維模型，研究了所有壁面恒壁溫條件下開口向上圓柱形腔體

3、的傳熱特性，考慮了傾角、壁溫、開口大小、風(fēng)向角和風(fēng)速等的影響。根據(jù)模擬結(jié)果，提出一系列能反應(yīng)各參數(shù)影響以及具有較高預(yù)測(cè)精度的努塞爾特?cái)?shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。特別是，針對(duì)有風(fēng)情形，首次提出了分區(qū)域擬合思路。最后，提出了一種新的太陽能溫差發(fā)電系統(tǒng)（STGS），即基于菲涅爾透鏡和熱管原理太陽能溫差發(fā)電系統(tǒng)（FH-STGS）。根據(jù)冷卻方式，可將其分為空氣冷卻式FH-STGS和液體冷卻式FH-STGS。通過建立理論模型，分別定量評(píng)估了陶瓷基板發(fā)射率、換熱器

4、對(duì)流換熱系數(shù)、太陽能入射總量、風(fēng)速、風(fēng)向角、腔體傾角、環(huán)境溫度以及相關(guān)幾何參數(shù)如平板形溫差發(fā)電模塊（FTGM）電極覆蓋率、FTGM電極長(zhǎng)度、環(huán)形溫差發(fā)電模塊（ATGM）電極覆蓋率和ATGM電極長(zhǎng)度等的影響。在此基礎(chǔ)上，分別確定了能同時(shí)兼顧系統(tǒng)性能和電極材料成本的四個(gè)幾何參數(shù)的最佳范圍。另外，也基于溫差發(fā)電理論，對(duì)ATGM性能進(jìn)行了參數(shù)分析。本文的主要結(jié)果如下：
　?。?）對(duì)于恒熱流條件，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，腔體底面溫度分布較為均勻。對(duì)于大多

5、數(shù)情形，離底面距離越遠(yuǎn)，腔體側(cè)面溫度越低。無風(fēng)條件下，腔體平均壁溫與環(huán)境溫度間差值隨開口減小或輸入功率增大而增大，隨傾角減少先下降后上升。在風(fēng)的擾動(dòng)下，腔體平均壁溫與環(huán)境溫度間差值隨傾角的變化與風(fēng)向角有關(guān)。風(fēng)速越大，腔體平均壁溫與環(huán)境溫度間差值越低。模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，就腔體壁溫和輻射傳熱強(qiáng)度Nur而言，兩者相差較小，但就對(duì)流傳熱強(qiáng)度Nuc而言，兩者差距較大。模擬顯示，無風(fēng)條件下，當(dāng)傾角減小時(shí)，一方面，腔體自然對(duì)流傳熱穩(wěn)定性逐漸下降，其

6、狀態(tài)會(huì)由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變成非穩(wěn)態(tài)；另一方面，Nuc先上升后下降，Nur先下降后上升。當(dāng)開口或熱流密度增大時(shí)，Nuc先增加后變化較小，Nur單調(diào)增大。然而，由于風(fēng)的介入，傾角的影響會(huì)變得十分復(fù)雜，具體與風(fēng)向角和風(fēng)速有關(guān)；隨著熱流密度的增加，Nuc近乎不再改變。風(fēng)速不同，風(fēng)向角的影響不同。對(duì)于絕大多數(shù)工況，隨著風(fēng)速的增加，Nuc和Nur分別單調(diào)增加和下降。相較于其它因素，風(fēng)速是影響或控制腔體傳熱的主導(dǎo)因素。
　?。?）對(duì)于所有壁面恒壁溫條件，

7、模擬顯示，傾角和開口大小的影響與恒熱流條件大體相似。壁溫越高，腔體對(duì)流傳熱量越高，但Nuc越低。相較于背向風(fēng)，正向風(fēng)情形下風(fēng)向角的影響更為復(fù)雜，具體與傾角和風(fēng)速有關(guān)。與恒熱流條件不同，隨著風(fēng)速的增加，幾乎對(duì)于所有工況，Nuc先下降后上升。
　?。?）理論計(jì)算顯示，ATGM基本方程形式與FTGM完全相同。環(huán)形形狀因子越偏離于1，ATGM輸出功越低于 FTGM。在負(fù)載匹配的條件下，ATGM效率不受環(huán)形形狀因子的影響。對(duì)FH-STGS性

8、能的評(píng)估發(fā)現(xiàn)，液體冷卻式FH-STGS的性能隨換熱器對(duì)流換熱系數(shù)的增大先增加后基本不變。陶瓷基板發(fā)射率越小、環(huán)境溫度越低或太陽能入射總量越高，F(xiàn)H-STGS性能越高。但過高的太陽能入射總量會(huì)惡化FH-STGS的電效率。隨著風(fēng)速的增加，空氣冷卻式FH-STGS性能先上升后下降，而液體冷卻式FH-STGS性能的變化與腔體對(duì)流傳熱量變化一致。相較于其它因素，風(fēng)向角、腔體傾角以及環(huán)境溫度（只針對(duì)于液體冷卻式 FH-STGS）對(duì)FH-STGS性能

9、影響十分有限。幾何參數(shù)的影響與太陽能入射總量、風(fēng)速或冷卻方式等有關(guān)。對(duì)于空氣冷卻式FH-STGS和液體冷卻式FH-STGS，F(xiàn)TGM電極覆蓋率、FTGM電極長(zhǎng)度、ATGM電極覆蓋率和 ATGM電極長(zhǎng)度的最佳范圍分別為0.15~0.205、0.005~0.006m、0.15~0.202和0.007~0.008m以及0.05~0.1、0.006~0.007m、0.15~0.202和0.007~0.008m。與現(xiàn)有STGS相比，不論是效率還是