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能源是人类社会发展的基石,近些年来,随着化石能源的急剧消耗和全球温室效应的加剧,人类急切地需要寻找一种可再生的清洁能源作来替代化石能源。在所有的清洁能源中,太阳能作为一种储量丰富、环境友好的能源受到了广泛的青睐。目前在太阳能热发电技术中,槽式太阳能热发电系统市场占有率最高,本文选取槽式太阳能集热器作为研究对象,探究不同误差下槽式太阳能集热器的热性能、形变以及热应力变化规律,为工程实际运行提供一定的理论指导。
槽式太阳能集热器在实际运行过程中存在聚光镜外形误差(δsl)、跟踪误差(δtr)和安装误差(δx和δy),并且一般是两种或多种同时存在。本文基于光-热-力的耦合方法,首先利用蒙特卡洛射线跟踪法(MCRT)模拟了在不同误差下吸热管外表面的热流密度分布,通过UDF编程手段将之作为体积热源耦合到有限体积法(FVM)中,从而模拟出不同误差下吸热管表面温度分布、热效率和热损失的变化规律;最后将FVM的结果通过Workbench平台导入到有限元元法(FEM)中进行形变与热应力分析,探究其随误差的变化规律。研究结果表明:
吸热管外表面温度分布变化与热流密度分布一致,跟踪误差δtr和x方向安装误差δx使热流和温度分布变得不对称。当δsl为0mrad时,增大δtr与δx会增加吸热管表面最大热流密度和最大温度,当δsl较大时,增大δtr与δx会使吸热管表面温度分布更加均匀,最大热流密度和最高温度随之降低;当δy从0mm变化到15mm时,最大热流密度和最高温度逐渐变大,且δsl越小,升高越快;δtr为6mrad时,当δx与δtr符号相同时,最大热流密度和最高温度随着δx的增加而升高。
当聚光镜外形误差δsl不同时,跟踪误差δtr和安装误差对吸热管周向温差?T的影响有所不同。当δsl为0mrad时,δtr从0mrad增加到9mrad时,?T会迅速增加,当δsl>3mrad时,δtr的增加不会引起?T的增加;当吸热管从焦线下方向焦线上方移动时,?T随之增加,且通常δsl越小,?T升高的越快;当δsl>4mrad时,δx的增加不会引起?T明显升高。
在本文所研究的误差范围内,热损失Qloss和集热管热效率ηr的变化很小,太阳辐射强度DNI对ηr的影响较大;在δsl和δtr都为0mrad的情况下,δx、δy对集热器效率ηc的影响很小;当δsl>0mrad且δtr为0mrad时,δx和δy会降低ηc;当δx和δtr符号相同时能够降低光学损失,使ηc升高。
δsl、DNI和δy对吸热管挠度变化影响最大。当正方向δy增加时,吸热管挠度会显著增加,δsl越小,增加的越快。δtr和δx的增加对吸热管挠度的增加没有较大影响,但是δtr和δx会改变吸热管的弯曲方向,在实际情况中应该加以注意。此外,正方向δy会极大的增加吸热管挠度,为安全运行,应将其控制在较小的范围内。
δtr和δx会使吸热管的等效应力分布变得不对称,当δsl为0mrad时,随着δtr和δx分别从0mrad变为9mrad和0mm到25m,σequ,max迅速升高。σequ,max随着DNI的增加而快速上升。当δsl>3mrad时,σequ,max随着δtr的增加而单调下降。当δsl>4mrad时,δx对σequ,max的影响很小。当δy从0mm增加到15mm时,σequ,max单调增加。
槽式太阳能集热器在实际运行过程中存在聚光镜外形误差(δsl)、跟踪误差(δtr)和安装误差(δx和δy),并且一般是两种或多种同时存在。本文基于光-热-力的耦合方法,首先利用蒙特卡洛射线跟踪法(MCRT)模拟了在不同误差下吸热管外表面的热流密度分布,通过UDF编程手段将之作为体积热源耦合到有限体积法(FVM)中,从而模拟出不同误差下吸热管表面温度分布、热效率和热损失的变化规律;最后将FVM的结果通过Workbench平台导入到有限元元法(FEM)中进行形变与热应力分析,探究其随误差的变化规律。研究结果表明:
吸热管外表面温度分布变化与热流密度分布一致,跟踪误差δtr和x方向安装误差δx使热流和温度分布变得不对称。当δsl为0mrad时,增大δtr与δx会增加吸热管表面最大热流密度和最大温度,当δsl较大时,增大δtr与δx会使吸热管表面温度分布更加均匀,最大热流密度和最高温度随之降低;当δy从0mm变化到15mm时,最大热流密度和最高温度逐渐变大,且δsl越小,升高越快;δtr为6mrad时,当δx与δtr符号相同时,最大热流密度和最高温度随着δx的增加而升高。
当聚光镜外形误差δsl不同时,跟踪误差δtr和安装误差对吸热管周向温差?T的影响有所不同。当δsl为0mrad时,δtr从0mrad增加到9mrad时,?T会迅速增加,当δsl>3mrad时,δtr的增加不会引起?T的增加;当吸热管从焦线下方向焦线上方移动时,?T随之增加,且通常δsl越小,?T升高的越快;当δsl>4mrad时,δx的增加不会引起?T明显升高。
在本文所研究的误差范围内,热损失Qloss和集热管热效率ηr的变化很小,太阳辐射强度DNI对ηr的影响较大;在δsl和δtr都为0mrad的情况下,δx、δy对集热器效率ηc的影响很小;当δsl>0mrad且δtr为0mrad时,δx和δy会降低ηc;当δx和δtr符号相同时能够降低光学损失,使ηc升高。
δsl、DNI和δy对吸热管挠度变化影响最大。当正方向δy增加时,吸热管挠度会显著增加,δsl越小,增加的越快。δtr和δx的增加对吸热管挠度的增加没有较大影响,但是δtr和δx会改变吸热管的弯曲方向,在实际情况中应该加以注意。此外,正方向δy会极大的增加吸热管挠度,为安全运行,应将其控制在较小的范围内。
δtr和δx会使吸热管的等效应力分布变得不对称,当δsl为0mrad时,随着δtr和δx分别从0mrad变为9mrad和0mm到25m,σequ,max迅速升高。σequ,max随着DNI的增加而快速上升。当δsl>3mrad时,σequ,max随着δtr的增加而单调下降。当δsl>4mrad时,δx对σequ,max的影响很小。当δy从0mm增加到15mm时,σequ,max单调增加。