适于北方浅山地区的太阳能蓄热技术的研究

论文摘要

太阳能是一种分布广泛、可再生的绿色新能源。但太阳能在利用中，其辐射受到昼夜、季节以及阴晴雨雪等天气因素的影响。太阳能的光热利用进行冬季采暖，最突出的问题是昼热夜用问题。因此，太阳能应用于采暖的技术研究中，一方面集热技术的研究很重要，同样蓄热技术的研究也是很重要的。传输热能的介质大多采用水或空气。在北方浅山地区，空气以传递直接、设备简易、维护方便显示出一定的优越性。基于以上因素，论文对适用于北方浅山地区太阳能蓄热技术进行研究。论文选定几种适于北方浅山地区太阳能蓄热的材料，对其蓄热特性进行了理论研究，在此基础上，设计了集热蓄热装置，对此装置的蓄热、放热特性进行实验研究。首先，论文对相变蓄热材料进行了理论研究。建立了石蜡蓄热球的数学模型，用Matlab软件进行数值计算，得到蓄热球的温度场分布和相界面随时间变化的移动规律。利用FLUENT软件对蓄热球的相变传热过程进行数值模拟，比较两种数值计算结果，基本吻合，验证了数学模型可靠以及数值计算方法的可行性。对蓄热球蓄热理论研究中，主要研究了蓄热球直径和外壁温度变化对熔化/凝固时间的影响，以及蓄热放热特性。其次，在集热蓄热装置中，对多种蓄热材料以及其影响因素进行了理论分析。采用正交试验设计组合得到16种试验方案，利用FLUENT软件对每个试验进行数值模拟分析。以集热蓄热装置的蓄热效率为实验指标，通过正交实验表计算和分析，得出集热蓄热装置最优设计方案，即入口流速为1.6m/s，玻璃盖板为中空高透玻璃，入口空气温度为263.15K，蓄热体为相变材料，空气间层厚度为80mm，蓄热材料厚度为80mm，太阳辐射强度为592.2W/m~2（12时）。根据以上理论分析得出的结果，搭建试验台进行全天实测实验。对集热蓄热装置的结构和热特性包括集热板、空气间层自然和强迫对流、不同蓄热材料等进行相关测试。实验结果验证了空气间层厚度选择70mm～90mm为宜；在静态条件下，集热蓄热装置的平均集热效率为64%，而无蓄热材料其平均集热效率为24%；在动态条件下，集热蓄热装置集热效率在38%～56%范围，波动幅度较小；而无蓄热材料其集热效率在30%～61%范围，波动幅度较大；此外，集热蓄热装置蓄热效率为21%～25%，并对前期数值模拟结果进行验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 世界能源现状
• 1.1.2 我国能源现状
• 1.1.3 我国太阳能资源分布
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 蓄热技术的发展过程及应用
• 1.2.2 北方农村太阳能利用的集热蓄热研究与应用
• 1.3 研究目的及内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 第2章 内封装石蜡的蓄热球传热理论研究
• 2.1 蓄热技术的简介
• 2.2 相变传热的基本理论
• 2.2.1 相变传热现象的基本特征
• 2.2.2 相变界面上的边界条件
• 2.2.3 相变传热模型
• 2.3 蓄热球的非稳态传热数值编程模拟分析
• 2.3.1 假设条件
• 2.3.2 建立相变传热过程的基本方程
• 2.3.3 建立离散方程
• 2.3.4 计算结果及分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 蓄热球内熔化和凝固过程传热特性研究
• 3.1 物理模型
• 3.2 数学模型
• 3.2.1 考虑液相自然对流影响的数学描述
• 3.2.2 忽略液相自然对流影响的数学描述
• 3.2.3 简要概述 Solidification/Melting 模型中液相率β
• 3.3 数值模拟前处理及模拟参数设置
• 3.3.1 网格划分
• 3.3.2 参数设置
• 3.3.3 数值模拟计算结果与分析
• 3.3.4 球内温度场变化和相界面移动规律
• 3.3.5 蓄热球结构和外界条件变化对其相变过程的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 太阳能空气集热蓄热装置影响因素的研究
• 4.1 正交试验设计
• 4.1.1 正交试验设计概述
• 4.1.2 因素和水平的确定
• 4.1.3 正交表的建立
• 4.2 太阳能空气集热蓄热装置数值模拟
• 4.2.1 物理模型
• 4.2.2 数学模型
• 4.2.3 FLUENT 模拟软件中基本设置
• 4.4 正交试验结果分析
• 4.4.1 因素和水平分组
• 4.4.2 数据计算
• 4.4.3 因素影响分析
• 4.4.4 参数选优
• 4.4.5 最优方案得出
• 4.5 本章小结
• 第5章 太阳能空气集热蓄热装置的热性能实验研究
• 5.1 总体结构设计
• 5.2 实验系统工作原理
• 5.3 热电偶的制作和标定
• 5.4 平板型太阳能空气集热蓄热系统热性能研究
• 5.4.1 两种材料温度变化比较
• 5.4.2 两种集热器集热对比试验
• 5.5 实验热性能测试
• 5.5.1 静态实验热性能测试
• 5.5.2 动态实验热特性测试
• 5.6 不同情况下集热蓄热器的热效率
• 5.6.1 静态下集热-蓄热器与普通集热器的热效率比较
• 5.6.2 动态下集热-蓄热器与普通集热器的热效率比较
• 5.7 两种蓄热材料的对比
• 5.8 本章小结
• 总结与展望
• 1 结论
• 2 存在的不足及未来工作的展望
• 参考文献
• 硕士期间公开发表论文
• 致谢