摘 要

在世界能源结构转换中，太阳能的开发利用开发存在巨大潜力，太阳能聚光器在可再生能源领域是非常有前景的技术。国内外学者也对太阳能聚光器集热性能进行了多个方面的研究。

本文针对一种小型太阳能光热聚光器相关集热元件进行了研究，通过分析其结构特点，做出了相应的简化和假设并建立了物理模型。设置恰当的边界条件，应用FLUENT软件模拟了不同工作条件下聚光器的温度分布，分析了影响集热器热性能的三个因素：流体入口流速，太阳辐射强度和环境温度，并得到了不同条件下聚光器出口温度的变化趋势。

结果表明，流速越大，进出口温差越小，效率越高。设置环境温度20℃，太阳辐射强度为800W，其他条件不变时，流速为0.3m/s时，集热管效率为50%；集热管效率随太阳辐射强度的增强而升高；环境温度越高，集热管效率越高。

通过正交实验的方法，在几组变量中选出了一种相对适合的流体的平均流速及其他条件，来获得更优的系统效率以及流体出口温度。设置太阳辐射强度为400W，环境温度30℃，进口流速为0.2m/s，模拟得到的进出口温差10.7℃，此时集热管效率为44.94%。

关键词：太阳能 聚光器 FLUENT 集热性能

Simulation Analysis of Thermal Performance of Small Solar Concentrator Based on Fluent

ABSTRACT

Among the transformation of world energy structure，utilization of solar energy has great potential power in future development. Solar concentrator technology is very promising in the field of renewable energy technologies. Scholars in different countries also study on multiple aspects of the thermal performance of solar concentrators.

The purpose of this thesis is to simulate and describe the thermal performance of a specific small solar concentrator. Some assumptions have been made to ease and simplify the simulation, which is based on the study of its structure and features. The receiver is modeled in FLUENT environment and the boundary conditions are set appropriately, so the temperature distribution under different working conditions can be simulated by FLUENT. In this paper, three factors have been considered and analyzed which could have an effect on thermal performance: inlet velocity, energy flux density and ambient temperature.

The result shows that higher inlet velocity lead to lower temperature difference between inlet and outlet and higher efficiency. The solar collector efficiency is 50% when the inlet velocity is 0.3m/s and other conditions remain unchanged. The efficiency of solar collector has increased with the enhancement of solar radiation intensity.

Through the orthogonal experiment method, relatively suitable factors have been chosen to achieve better system efficiency and the outlet temperature of the fluid. The efficiency of the collector is 44.97% under the ambient temperature of 30℃，800W solar radiation intensity and the inlet velocity of 0.2m/s.

Key Words: Solar energy; Concentrator; FLUENT; Thermal performance

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1课题的研究背景及意义 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2研究意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 3

1.3本课题的研究目的和内容 6

第二章 小型聚光器原理及结构 7

2.1小型聚光器工作原理 7

2.1.1菲涅尔透镜结构和特点 7

2.1.2小型复合抛物面聚光器的构成和特点 8

2.1.3复合抛物面聚光器相关方程 9

2.2小型聚光器方案 10

2.3 本章小结 11

第三章 仿真模型的建立 12

3.1 FLUENT软件介绍 12

3.1.1FLUENT软件基础 12

3.1.2辐射模型的使用 13

3.2仿真模型的建立 13

3.3求解设置 17

3.3.1二维模型求解及边界条件的设置 17

3.3.2三维模型边界条件及求解设置 19

3.4本章小结 25

第四章 Fluent模拟结果分析 27

4.1不同影响因素下流体出口温度 27

4.1.1流速对集热器集热性能的影响 27

4.1.2太阳辐射量对流体出口温度的影响 30

4.1.3外部温度对流体出口温度的影响 31

4.2本章小结 34

第五章 结论与展望 36

5.1结论 36

5.2展望 36

参考文献 37

致谢 41

第一章 绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.1.1研究背景

能源是经济发展的物质基础。目前，社会面临的能源紧缺问题日益严重。传统的不可再生能源，如煤炭，天然气和石油的蕴藏量十分有限，随着经济的急剧发展，以及大量被开采和使用，如今也面临着逐渐枯竭的问题。更严重的是，化石能源燃烧不可避免地产生大量CO₂，SO₂及NOx等气体，带来了如酸雨和全球气候变暖等环境问题，导致全球生态环境的严重污染和破坏^[1]。如今，中国已经成为世界上的二氧化碳排放量最多的国家。预计到2030 年，我国的 CO₂气体排放量将达到11710MT ^[2]。对于中国来说，能源短缺与环境恶化的问题显得更为严峻。由于人口基数大，中国的人均能源资源拥有量处在非常低的水平，其中煤炭人均拥有量，仅达到世界平均水平的一半^[3]。为了保证我国经济的健康可持续发展，开发更加安全可靠、环保的能源成为解决世界能源问题的当务之急。包括水能、太阳能、风能、生物质能、地热、海洋能、核能和氢能在内的新能源不断地被利用起来，其中太阳能是21世纪最清洁最廉价的能源^[4]。而我国太阳能资源丰富，有很大的开发价值。我国全年日照小时数超过2000小时，期间太阳辐射量超过6×109J/m²，每一年我国地表吸收的太阳辐射能量相当于燃烧17万亿吨标准煤所产生的能量^[5]。此外全年地球表面接受到的太阳辐射强度达1.73×10¹¹MW，相当于每秒燃烧5×10⁶吨标准煤的功率^[6]。2015年巴黎气候大会上，中国提出截至2030年，将使国内生产总值排放的二氧化碳量比2005年下降60%-65%，同时非化石能源的使用量占一次能源消费比重控制在20%左右。可见在世界能源结构转换中，利用和开发太阳能潜力巨大，对解决环境污染问题，以及缓解世界范围内的能源紧张问题十分有利。

1.1.2研究意义

太阳能聚光集热器通过使用聚光器来增加太阳辐射的功率密度，能更有效地利用太阳能，并通过对集热表面进行处理，以此来降低热损失，使得当集热温度较高的同时能得到较高的集热效率，从而在很大程度上提高太阳能的利用效率。比较其他新能源利用技术的发展，太阳能热应用技术更为成熟，应用的领域更为广泛，其效率最高可达80% ^[4]。

目前光热聚光器应用很广，可以应用于采暖，制冷，印染，纺织，海水淡化等生活和生产领域，国内外对太阳能聚光器进行了多方面的研究^[8]。聚光器集热性能受到其形状，材料，周围环境，跟踪控制器及整体集热器系统的布置安装等的影响。另外，自身因素如开口采光面形状，抛物面边缘角，抛物面焦距，接收器的遮挡作用等，都会影响聚光器集热性能及效率^[9-10]。为了使太阳能集热器更有效地吸收辐射，实现高效利用，聚光技术的研究及聚光器的开发具有重大意义^[11]。

1.2国内外研究现状

国内外对聚光器热力学性能计算及模拟方法在不断发展，数值模拟结果越来越精确。小型聚光器种类众多，其中复合抛物型聚光器，槽式聚光器，菲涅尔太阳能聚光器等应用较为广泛，是国内外聚光器主要的研究对象。

1.2.1国外研究现状

1.小型太阳能聚光器集热性能研究

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