论文总字数：27310字

摘 要

太阳能吸热器是一种将太阳能转化为热能的装置，其热转换效率会直接影响到整个太阳能系统的效率和经济性。由于太阳能的间歇性和空间分布的不均匀性，会导致吸热器壁面产生很大的温度梯度和热应力，严重时甚至会使吸热器产生变形或破裂，影响整个太阳能系统的安全性。本文以高效安全的太阳能光热利用为背景，采用ABAQUS有限元分析软件，对板式吸热器进行了传热性能和应力分析的数值模拟。

本文具体研究内容及结论包括：

研究了采用拉杆支撑的板式吸热器的热应力分布特性，分析了在给定壁面热流、吸热管内部有恒定流量的工质的情况下，获得了吸热器的温度场和应力场的分布特性。

研究了在不选用耐高温高强度的材料的条件下，通过改进承压能力差的热板内部支撑结构，以解决其在高温环境下，材料性能下降，而温差变大引起的热应力较大的问题。

通过本文的研究，为板式吸热器的结构优化设计、吸热器热应力的减弱方法提供了数值基础和参考依据。

关键词：板式吸热器 有限元分析 热应力 优化设计

The structure optimization of plate solar heat receiver

Abstract

Solar heat receiver is a kind of device that is applied to translate solar energy into thermal energy. Its thermal convection efficiency will directly affect the efficiency and economy of total system. At the same time, because solar energy has the characteristic of intermittent and unevenness of spatial distribution, it will result in huge wall temperature gradient and thermal stress in the wall of device. Seriously, it will result in deformation and fracture, affecting the security of the entire solar system. In this paper, applying Abaqus software, numerical simulation is used to analyze heat transfer and stress about plate heat receiver.

The major research contents and conclusions of this paper：

This paper’s research object is plate heat receiver supported by rods. Applying Abaqus software, it builds a three-dimensional stead-state model. In the case of giving wall heat flux and constant flux of working medium, it studys heat receiver’s temperature field and stress field, analyzes the stress along the lines of the circumferential distribution of heat pipe.

On high temperature environment, material properties decrease and thermal stress becomes larger with the increase of temperature difference. To solve this problem, we will improve the inner support structure of the heat receiver instead of choosing thermostable materials.

Through this research, it provides the necessary knowledge and theory reference for design and optimization of plate structure and discussion of method of minishing receiver thermal stress.

Key Words: Plate receiver; Finite element analysis; Thermal stress; Optimization design

目 录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 课题背景及意义 1

1.2.1 课题背景 1

1.2.2 研究意义 2

1.3 板式太阳能吸热器研究现状 2

1.3.1 国内研究现状 2

1.3.2 国外研究现状 3

1.4 主要研究内容 4

第二章 板式太阳能吸热器的结构设计 5

2.1 材料选择 5

2.1.1 工质选择 5

2.1.2 材料确定 7

2.2 内部结构设计 8

2.2.1 吸液芯选择 8

2.2.2 支撑结构设计 10

2.2.3 冷却介质流通通道结构设计 10

2.3 整体结构设计 12

第三章 热板的五大传热极限校核 15

3.1 粘性极限校核 15

3.2 携带极限校核 16

3.3 声速极限校核 17

3.4 沸腾极限校核 19

3.5 毛细力极限校核 21

第四章 板式太阳能吸热器的设计优化 23

4.1 有限元方法与软件介绍 23

4.1.1 有限元法介绍 23

4.1.2 有限元软件介绍 23

4.2 有限元分析 24

4.2.1 几何模型 24

4.2.2 网格划分 25

4.2.3 边界条件与载荷 26

4.2.4 计算结果与分析 27

4.3 相关影响因素分析 31

4.3.1 拉杆外直径 31

4.3.2 拉杆内直径 33

4.4 本章小结 35

第五章 结论与展望 36

5.1 结论 36

5.2 展望 36

参考文献 38

致 谢 40

第一章 绪论

1.1 引言

能源是人类生存的基础，能源的合理开发和利用是整个社会发展的源泉，也是人类文明与进步的重要标志之一^[1]。太阳能是一种可以就地取用的巨大无污染的绿色自然能源，是国际公认的工业社会和后工业社会未来的能源之星，能从根本上解决人类未来面临的能源和环境问题^[2]。可见，大阳能是最理想的新能源，人们从古代就开始利用太阳能，其间一直在不断发展，近年来由于全球各国的关注，各方面利用更是广泛^[3,4]。太阳能技术以其清洁、经济的优势被广泛应用在诸领域，热能的利用以热水器最为普遍，其技术也最为纯熟^[5]。

热板吸热器具有传热效率高，均温性能良好的优点，噪音低，使用寿命长，且可以将每个热板作为一个传热单元，将若干个传热单元拼接成较大的吸热器，在塔式太阳能发电系统中广泛应用，但热板也有承压能力差的缺点，尤其在高温环境下，材料性能下降，而温差变大引起的热应力又较大，解决这个问题的方法除了选择耐高温高强度的材料外，对于内部支撑结构的改进就是另外一个研究重点。

1.2 课题背景及意义

1.2.1 课题背景

太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，与常规能源有很大的区别，这就对太阳能的收集和利用提出更高的要求^[6]。太阳能吸热器是一种将太阳能转化为热能的装置，在太阳能吸热系统中占有重要地位，其效率会直接影响到整个太阳能系统的效率和经济性。我国已经成为太阳能吸热器生产和使用超级大国，2011年生产量占世界产量的80%，占世界保有量的60%左右^[7]太阳能热利用产品主要有两种——平板型太阳能吸热器与真空管型太阳能吸热器。国外平板型太阳能吸热器应用较多，国内虽然目前真空管型吸热器使用广泛，但随着多层和高层建筑的不断建设，真空管型太阳能吸热器因其承压小易炸管等弊端无法适应新的市场要求； 而平板型太阳能吸热器由于具备承压好热效率高便于实施太阳能与建筑一体化等特点，逐渐受到人们的青睐^[8]。

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