哈尔滨工业大学(威海)本科论文开题报告讲解

哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）—开题报告

本科毕业论文（设计）

开题报告

论文题目以纳米流体为工质的抛物面槽式太阳能集热器的研究

班级1201301

姓名巩向涛

院（系）汽车工程学院

导师王富强

开题时间2015年12月25日

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1．课题研究的目的和意义

能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。纵观人类社会发展的历史，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替。能源的开发利用极大地推进了世界经济和人类社会的发展。

太阳能以其储量的无限性、开发利用的清洁性，成为21世纪解决开发利用化石能源带来的能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径之一[7, 8]。太阳能资源的利用按照能量转化方式可以分为光热转换利用、光电转换利用和光化学转换利用[3]。其中，太阳能热动力发电是太阳能光热转换的有效途径之一，它具有清洁、无污染等优点。但是由于太阳能资源具有能流密度低，易受到昼夜、季节、和地理纬度等因素影响的缺点，必须通过聚集技术将低热流密度的太阳辐射聚集起来，形成高汇聚的太阳能热流以实现降低热损失和高效的能源利用。传统的太阳能热动力发电系统包括发电子系统、传热和蓄热系统、集热子系统。集热子系统由聚光系统、吸热器和跟踪系统等部件构成。太阳光辐射经过聚光系统汇聚后形成了高倍汇聚的太阳能辐射能，照射到安装在聚光系统焦平面处的吸热器上，加热吸热管内的换热流体，产生热水或蒸汽驱动发动机，进而带动电机产生电能。

由于受昼夜、季节、地理纬度和天气变化等因素的的影响，太阳能的热利用具有显著的间断性和不均匀性，导致太阳能吸热器承受反复高温差的热冲击循环，吸热器容易受到高的热应力并引发吸热器玻璃管罩破裂以及吸热器的弯曲变形并最终失效[9]。如：墨西哥国立大学太阳能热发电站在实验和运行中，多次发生不锈钢管式太阳能吸热器的大弯曲变形并引发玻璃罩破裂的事故[9-14]；美国SolarOne 电站和西班牙CESA–I 电站都发生过热应力引起吸热器的失效而导致太阳能热动力发电站停止运行的事故[15]。因此，开展对太阳能聚集系统吸热器的温度场、热应变以及热应力场特性的研究，对防止太阳能热发电系统在实际运行过程中运行温度过高以及抑制热应变和热应力产生具有重要的指导意义，同时也能为研究太阳能高温热利用过程中热、力学行为提供理论基础。

1.1抛物面槽式太阳能吸热系统的介绍

抛物面槽式集热器主要由抛物面反射镜、集热元件、金属支撑机构和驱动机构四部分组成的。其中,集热元件是实现光热转换的重要部件。集热元件由外壁涂有吸收涂层的金属吸收管(以下简称金属管)以及套在金属管外的玻璃管组成,两端采用金属密封头密封。玻璃管外壁涂有增透涂层,能够使绝大部分太阳光线通过玻璃管;内壁涂有防增透涂层,能够隔绝绝大部分热辐射能量。金属管与玻璃管之间的空间为真空区域。集热元件位于反射镜的焦线上,吸收反射镜反射的太阳光。太阳光进入集热器反射镜开口,经过反射镜的反射汇聚到位于焦线上的集

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热元件。太阳光线首先接触到玻璃管外壁,绝大部分光线在增透涂层的作用下通过玻璃管到达金属管。金属管吸收太阳辐射能温度升高,经过金属管壁的导热,与其中的导热流体进行对流换热,最终把太阳辐射能转化成导热流体的热能。在实际运行中,随着时间变长,集热元件的真空区域可能进入气体。由于气体的存在,导致集热器热效率降低。

抛物面槽式太阳能吸热系统示意图

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换热管工作示意图

1.2纳米流体与强化换热

20世纪90 年代以来,研究人员开始探索将纳米材料技术应用于强化传热领域,研究新一代高效传热冷却技术。1995年, 美国Argonne 国家实验室的Choi 等人首次提出了一个崭新的概念—纳米流体。

纳米流体是指把金属或非金属纳米粉体分散到水、醇、油等传统换热介质中，制备成均匀、稳定、高导热的新型换热介质，这是纳米技术应用于热能工程这一传统领域的创新性的研究。纳米流体在能源、化工、汽车、建筑、微电子、信息等领域具有巨大的潜在应用前景，从而成为材料、物理、化学、传热学等众领域的研究热点。

选择性涂

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2．国内外研究现状

2.1吸热器的温度场研究现状

美国科罗拉多州立大学的 Harris 等于 1985 年采用理论分析的方法对圆柱形、平顶锥形、椭圆形、球形及复合平顶锥形腔体式太阳能吸热器在工作温度范围为 550–900ºC 时的热性能及热损失进行了分析，分析过程中考虑了六种热损失：抛物型碟式及槽式聚光系统的镜面反射损失、镜面误差损失、吸热器内部高温热辐射和反射损失、吸热器开口处的对流换热损失及吸热器壁面与保温层的导热损失[19]。西班牙的M.I. Roldán 等人通过CFD软件Fluent对采用过热蒸汽条件下抛物槽式太阳能聚光系统的吸热器管壁的温度场分布进行了模拟研究，并通过实验测量对模拟结果进行了验证[4]。

2008 年，德国航天中心的Lüpfert 等采用 14 支测量精度为±2.5K 的铠装热电偶对长度为 4m 的铜质管式太阳能吸热器的热性能进行了研究：管式太阳能吸热器的直径为 50mm，外层敷5mm厚的岩棉保温层；加热功率为 5900W 的电加热器插入管式太阳能吸热器的内部进行加热；吸热器内部流体为导热油（Syltherm 800）,流体的流速测量采用涡街质量流量计[20]。所有的实验都是基于热平衡条件下进行测试的，在测试的过程中没有考虑到辐射换热损失。2009 年，西班牙 Villar 等基于微小体积内的能量与质量守恒原理开发了一种新的三维瞬态数学模型来计算平板式太阳能集热器的热效率；这种新模型不但考虑了材料物性随温度变化的特性，而且还考虑了太阳能集热器与蜂窝状保温层之间的隔热性能对太阳能集热器热效率的影响；为了验证模型的可靠性，Villar 等还分析了不均匀流速工况下的平行管式太阳能集热器的热效率，并将计算结果与实验结果进行对比分析[21]。

2.2吸热器的热应力场研究现状

2014年，中国科学院的吴志勇等人采用商业软件Fluent 与Ansys 联合计算的方法对管式太阳能吸热器及玻璃罩的热应力及热变形进行了数值分析[1]；在分析过程中首先通过MCRT法获得管式太阳能吸热器的外表面受到的太阳能总辐射热流，再通过商业软件Fluent模拟获得吸热器的温度场分布，最后将Fluent计算得到的网格节点温度场导入到Ansys 中，并作为管式太阳能吸热器热应力分析的温度载荷，计算获得热应力场的分布。管式太阳能吸热器中的玻璃罩与金属管连接密封节的破裂是引起槽式太阳能热动力发电站事故的主要原因之一，而密封节在制造过程中由于冷却工艺而产生的残余应力降低了密封节的强度并容易引发密封节的损坏。中科院电工所的王志峰等于2010 年采用商业软件Ansys 对密封节的残余应力进行了分析，并将数值模拟结果与实验结果