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[硕士论文] BINIAM BERIHU
Civil Engineering 北京交通大学 2018(学位年度)
摘要:如今,地热能作为一种可再生能源,因其可用于发电、产生稳定可靠的清洁能源而备受关注。然而,在从天然气藏中提取这种资源时,高温蒸汽流体会流经地热井系统,因而在施工阶段和运营过程中管道系统都会出现不同的失效模式,从而导致这种地下管道系统内部结构存在大量不确定性和挑战性。
  本文从地热井管道系统中选取了五种类型的地热井段进行热力学分析数值模拟,分别是无链接套管,有链接套管,以及三个位于不同部位的由于气泡引起的弱水泥护套带。本研究采用数值分析软件ABAQUS对此五种热力井管段进行两阶段热力学分析。
  本文首先对热力井管系统进行了文献综述,在此基础上通过数值分析对五种不同的井管段进行了在温度载荷和内外井壁压力载荷作用下的热力学模拟,并对五种井管段的分析仿真结果进行了对比。在分析中采用的边界条件为沿着纵向和径向为固定边界。温度荷载为300-550℃,作用于钢质井管内表面,用于模拟在启动生产过程中热冲击引起的温度效应。由岩体施加的远场或地层的外部压力作用于水泥护套的外表面;蒸汽流体产生的压力作用于在钢质井管的内表面。本文数值分析中的材料参数取自相关文献,并假设含有气泡的水泥护套带具有相对较低的材料力学性能和热力学参数。本研究基于五种不同的材料参数组合,展开对于五种不同的井管段的有限元数值分析,研究分析了由于链接套管和含气泡水泥护套带的存在对井管系统热应力的大小和分布产生的影响,并对比分析了不同的材料参数对热应力和温度场的影响。
  结果表明,材料的导热系数和杨氏模量对热应力大小具有实质性影响。在地热系统启动生产阶段,温度梯度引起的热应力直接关系到井管系统的安全性。
  本研究还表明,链接套管的存在可引起不均匀的温度和热应力场的分布,增加了井管系统由于热冲击而引起的失效破坏风险,所引起的温度升高及热应力的增加主要由材料的高导热系数所致。研究还发现,当含气泡弱水泥护套带位于连接套管远端时,对水泥护套和岩体中的应力影响较大。
[硕士论文] 邱升
动力工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:太阳能光伏光热综合利用(Photovoltaic/Thermal,PV/T)系统可综合利用太阳能产电和生热两种效益,从而为提升太阳能综合利用效率提供了一条有效途径,已成为当今太阳能利用领域的研究热点之一。PV/T集热器冷却管网内的流动与换热性能是影响整个PV/T系统工作效率的关键,而传统的PV/T集热器通常未考虑其背部冷却管网的优化设计,引起光伏组件区域均温性差及泵功消耗较大等诸多问题,从而导致PV/T系统综合工作性能下降,这严重限制了太阳能光伏光热综合利用技术的推广应用。值得注意的是,近些年来微通道换热器流道结构优化设计方面已经取得了长足的进展,受此类研究的启发,本文基于Discrete Ordinates热辐射理论建立了的PV/T集热器管网通道内流动与换热的三维稳态理论模型,并对具有不同冷却管网结构的PV/T集热器内流动与换热特性进行了数值模拟研究,探讨了PV/T集热器换热性能的影响因素,提出了集热器流动与换热性能的优化措施,并从系统层面研究了集热器性能变化对PV/T系统综合性能的影响规律。
  在不同通道结构PV/T集热器流动与换热性能研究方面,本文基于Discrete Ordinates热辐射理论建立了的PV/T集热器管网通道内流动与换热的三维稳态理论模型,详细分析了在太阳辐照条件下,PV/T集热器不同结构冷却管网通道内的流动与换热特性,揭示了冷却通道对PV/T集热器冷却换热性能的影响机理,并定量评估了不同构型冷却通道下PV/T集热器的品质因子。结果表明:相对盘形和蛇形通道式,平行通道式的整体压降最低,品质因子最高,经济性最好。在平行通道式中,随着支管数的增加,通道整体压降逐渐降低,并当支管数达到10时通道整体压降达到最低。Z型通道整体压降相对其他通道构型较高,C型通道中各支管流量分配不均衡性较高,而I型通道结构整体压降较低且各支管流量分配较均匀,相对其他通道最为合理。随着管径比的增加,分配到各支管的流量趋于均匀,从而电池层的表面平均温度逐渐降低,温度分布也逐渐均匀,光伏组件整体运行工况得到改善。随着集热器背部冷却通道中入口流速的增加,所有类型通道的整体压降都随之升高,电池层表面温度随之下降且电池层温度分布的均匀性得到改善。
  在平行通道式PV/T集热器传热性能强化方面,本文通过在冷却通道上添加变径结构来强化集热器冷却管网的换热效果,并基于所建立的集热器流动与换热模型详细分析了不同变径结构类型、变径结构高度、变径结构间距的通道下PV/T集热器的流场、温度场分布特性,揭示了在变径结构作用下流体对PV/T集热器冷却过程的影响机理,并定量评估在不同变径结构影响下PV/T集热器的品质因子。结果表明:在冷却通道中添加变径结构可以强化通道中流体与壁面的换热,从而使光伏组件在具有变径结构的通道上达到更低的表面温度。在冷却通道中添加变径结构会增加各通道整体压降,其中具有矩形变径结构的通道整体压降最高。增大变径结构的高度以及减小变径结构之间的距离都有助于增加流体与通道的换热面积并且增大变径结构内漩涡强度,从而达到强化换热的效果,使光伏组件的平均温度降低,但同时也增加了通道整体压降。
  在PV/T系统级模拟优化方面,本文使用TRNSYS建立了PV/T系统的的动态仿真模型,对系统的整体性能进行了模拟计算和优化分析。结果表明:随着集热器冷却通道中的支管数、系统中循环水流量、集热水箱容积的增大,系统的平均光电光热效率、光电光热功率均有效提高,但增速逐渐变得缓慢。
  本文研究不仅对深入认识PV/T集热器的辐射-对流-导热耦合换热机理具有重要的学术意义,还将为PV/T系统集热器的设计优化及PV/T系统电、热综合利用效率的提升提供关键技术支撑。
[硕士论文] 杨晶晶
供热、供燃气、通风及空调工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:地源热泵系统是利用地表浅层地热资源作为冷热源,进行能量交换的可再生能源利用技术,在能源消耗和环境污染日益严重的现状下,近年来应用广泛。地埋管换热器作为地源热泵系统利用中实现与地下土壤热交换的唯一设备,其蓄能传热问题一直是研究热点,而回填材料对地埋管换热器蓄能传热性能的影响至关重要。传统回填材料存在热影响半径大、地下换热区土壤温度持续升高或降低的缺点,因此本文提出采用相变材料(PCM)作为钻孔回填材料的一部分在减小其热响应半径的同时改善其蓄能传热特性,并通过数值模拟和实验测试,探讨了相变过程、相变材料热物性对地埋管换热器蓄能传热特性的影响。
  理论方面,利用CFD软件建立了相变材料回填地埋管换热器的数值模型,探讨了冬夏季工况下相变过程、导热系数、相变温度、相变潜热对地埋管换热器蓄能传热特性的影响规律。结果表明:采用PCM回填利于土壤温度恢复,夏季工况混合酸回填单井总换热量为原土回填的1.16倍,热影响半径为原土的95.65%,在建筑负荷一定条件下,能够缩小钻孔间距,减少土壤占用面积;PCM导热系数增大虽然会导致热影响半径增加,但同时也显著增加了换热量,同样负荷条件下具有优势;夏季工况采用较低相变温度、冬季采用较高相变温度的相变回填材料可以明显改善地埋管换热器的蓄能换热效果;同样条件下相变潜热的增大能够增强地埋管换热器的蓄能效果。
  实验方面,利用相似理论搭建了相变材料回填地埋管换热器的模型实验台,开展了夏季和冬季工况下PCM的相变过程、不同配比及强化PCM换热对地埋管换热器蓄能传热特性影响的实验研究。结果表明:采用PCM回填的地埋管换热器能够减缓钻孔内温度持续升高或降低的问题,保持地埋管换热器循环流体温度与周围回填材料之间较大的温差,对换热过程有利;同时,有效缓解钻孔外土壤温度变化幅度;此外单位井深换热量均大于原土回填,单井总换热量分别比原土回填多9.41、28.27%,能够增强地埋管换热器蓄能效果;减少了热影响半径,在一定建筑负荷条件下,能够减少土地占用面积。混合酸和油酸共同回填时两者会产生相互影响,混合酸和油酸以4∶6配比时土壤热影响半径最小,实际建筑采用时要考虑地区适应性,并根据建筑冷热负荷条件选取合适配比。添加铁屑强化PCM换热会使热影响半径增加,但同时也显著增加了单井总换热量,对地埋管换热器的蓄能传热性能均有提升,但较大的导热系数会使运行期间土壤温升较大,无法及时完成相变恢复过程。
  本文的研究目的旨在探讨采用相变材料回填对地埋管换热器蓄能传热特性的影响,并给出其影响因素及规律,以期为相变材料回填地埋管换热器的进一步深入研究提供理论与实验的依据。
[硕士论文] 任杰
材料物理与化学 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:太阳能热发电以其能量转换效率较高、电力输出平稳、生产能耗低、使用时无污染、通过储热能连续24小时发电等优势,近年来受到人们的高度重视。太阳能吸收膜作为太阳能热发电的关键材料,要求其能将在可见光-近红外光波段内太阳辐射能量高效吸收转化成热能、而在红外波段具有高反射(低热发射比)以尽可能降低所吸收热能的辐射损耗。由于太阳能吸收膜是由多层纳米功能膜层组成,各功能层成份、结构与厚度等因素变化均对太阳能吸收膜光学性能产生显著影响。本文基于计算机模拟软件开展太阳能吸收膜膜系结构的设计与优化,分析各功能层成份、结构与光学厚度等因素变化对其光学性能的影响规律,以期为生产实践环节中制备太阳能吸收膜提供指导作用。
  首先基于Matlab软件平台,自主开展了太阳能吸收膜模拟设计程序的编制,以W-Al2O3系太阳能吸收膜为例,采用正交实验方法将影响该膜系结构的关键因素设定为六因素五水平L25(56),通过软件模拟运算,模拟出不同组合条件下太阳能吸收膜在0.3~25μm波长范围内的反射光谱,并计算出对应膜系的吸收比和发射比。研究结果表明,影响太阳能吸收膜吸收比最强的因素是d1即表面Al2O3减反射AR层的厚度,而影响该膜系823K发射比的最强因素则是d2即低填充因子金属陶瓷复合吸收层LMVF的厚度,六因素中按影响吸收比强弱程度依次排序为d1>f2>f3=d2>d3>d4,影响发射比强弱程度依次排序为d2> f2> f3> d3>d1>d4。
  将正交实验表中吸收比最高的组合和发射比最低的组合进行折中优化设计,获得具有较佳光学性能的膜系结构为50 nm Al2O3/40 nmW-·l2O3(f2=0.2)/50 nm W-Al2O3(f3=0.525)/120 nm W,其吸收比为0.929,823K发射比仅为0.072。以该膜系结构为基础,进一步采用模拟软件研究了单一因素的连续变化对太阳能吸收膜光学性能的影响规律。发现随着减反射层AR厚度d1的增加,太阳能吸收膜反射光谱的截止波长右移,吸收比呈先增长后降低的变化趋势,而发射比则单调增加;随着低填充因子金属陶瓷复合吸收层LMVF厚度d2的增加,吸收膜的反射光谱变化非常剧烈,截止波长右移,吸收比呈先增加后减小的变化趋势,而发射比单调增大;随着LMVF层填充因子f2的增加,吸收膜的反射光谱的截止波长左移,吸收膜吸收比与发射比均呈先增加后减小的变化趋势;随着高填充因子金属陶瓷复合吸收层HMVF厚度d3的增加,吸收膜的反射光谱截止波长不发生明显迁移,吸收膜吸收比渐渐增加最后趋于不变,发射比则单调递增;随着HMVF层填充因子f3的增加,吸收膜的反射光谱的截止波长轻微左移,吸收膜吸收比与发射比均呈单调减少的变化趋势;随着红外反射层IR厚度d4的增加,发现反射光谱的变化非常弱,当d4超过一定值后,吸收膜的反射光谱不发生明显变化,薄膜的吸收比与发射比基本不再变化。
  为了验证上述模拟设计结果的有效性和可靠性,本文以模拟设计中的最优化膜系结构为目标,采用磁控溅射镀膜设备在321镜面不锈钢基片上制备出相应的W-Al2O3系太阳能吸收膜;采用扫描电镜、原子力显微镜和X射线衍射仪等仪器分析了制备态太阳能吸收膜的微观组织与结构,采用紫外-可见-近红外分光光度计和傅立叶变换红外光谱仪测定了制备态太阳能吸收膜的反射光谱,计算出其吸收比为0.926,823K发射比为0.116,吸收比与模拟设计结果基本吻合,发射比稍高于模拟设计,产生误差的可能原因是制备过程中将高、低填充因子吸收层中均匀分布在陶瓷基质中的金属粒子进行了次微层近似处理。为研究制备态W-Al2O3系太阳能吸收膜的耐热性能,将其置于580℃真空炉中退火处理120小时,测定其吸收比为0.92,823 K发射比为0.072,退火态太阳能吸收膜中W膜平均晶粒尺寸由13nm长大为21 nm应是太阳能吸收膜发射比降低的主要原因。
[硕士论文] 韩涛
控制工程 内蒙古大学 2018(学位年度)
摘要:能源和环境是人类生存的条件,能源短缺和环境污染是世界难题。因此寻找绿色可再生能源是可持续发展的必经之路。太阳能发电是一种新兴的可再生能源,绿色环保,成本低廉,符合可持续发展。太阳能自动跟踪系统是根据光照角度和高度的变化,自动调节太阳能电池板,使太阳能电池板垂直光线,提高利用率,减少发电成本。
  本文设计一种太阳能自动跟踪系统。硬件包括光伏组件、光电传感器、云台、解码器,以及主控电路板。主控电路板设计包括原理图设计和PCB设计,设计好之后进行布局布线,并进行PCB制作和焊接。主控芯片采用STC12C5A60S2,外围电路设计主要有稳压电路、晶振电路、通信电路等。软件设计主要包括主程序设计、跟踪子程序设计、数据传输程序设计和电机控制程序设计。软件编程语言采用C语言,编程工具选择Keil uVision5,根据实际需要编写程序后通过下载器下载到PCB中。软硬件设计完成后,进行系统联合调试和分析。利用台灯模拟太阳光源,手动让40W和200W台灯转动,40W台灯未达到启动电压,系统不运行。200W台灯达到启动电压,系统正常运行,电路板驱动云台带动光伏组件转动,使光伏组件垂直光照。
  本系统可以在两个自由度上转动,包括水平方向转动和垂直方向转动。通过光电传感器检测到光照强度变化,输出电压信号,传输到电路板中。经过电路板的比较分析,电路板发送控制信号到解码器,解码器驱动云台带动光伏组件向光照强度大的方向转动,使光伏组件垂直光线,实现自动跟踪的效果。
[硕士论文] 陈阳
机械工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:随着人类科学技术的进步发展,传统能源已不能满足社会的需求,新能源技术发展迅速,已在现代电力系统中已占据了了相当大的比例。其中,光伏发电因其清洁、储存量巨大、分布广泛等优势,更是受到了众多国家的广泛应用。但是由于光伏电池发电容易受到外部因素的影响,其输出功率会出现无规律的波动,这使得其难以稳定的提供电能。飞轮储能是一种利用驱动电机带动飞轮旋转将电能转换为飞轮动能的新型储能方式,相比传统化学储能方式,其具有储能密度高,工作时限长,运行时不造成污染等特点,具有很大的应用潜力。本文以独立太阳能飞轮储能系统为研究对象,针对在储能阶段太阳能飞轮储能系统的效率问题,对利用飞轮系统稳定光伏电池阵列直流母线电压为负载提供稳定电压,并将供给负载过后剩余的能量存储到飞轮系统中的控制方法进行了研究。
  本文首先,对飞轮系统的结构及原理进行了介绍,通过对比各种常用飞轮电机优缺点,结合光伏发电的特点选择结构简单、容易维护且性价比高的异步电机作为飞轮驱动电机。
  其次,根据光伏电池的原理及其不同条件下的输出特性搭建了光伏电池的仿真模型;对比各种常用最大功率追踪算法,提出了一种基于粒子群算法整定PID参数改进的扰动观察法作用于光伏电池,实现对光伏电池的最大功率追踪控制;接着,根据光伏发电输出功率多变的特点,飞轮电机控制方法选择具有较快响应性且对电机参数依赖较小的直接转矩控制技术,对其原理进行了分析,并在Matlab/Simulink中建立了异步电机直接转矩控制仿真模型;对飞轮系统储能阶段的控制进行了研究,根据光伏阵列输出功率、负载功率及直流母线实时电压作为参考计算异步电机直接转矩控制的参考转速、参考磁链,使得飞轮系统在储能过程中能够跟踪光伏阵列输出功率的变化,在保证直流母线电压稳定条件下,使得负载功率、光伏发电功率及飞轮储储能之间维持平衡;当异步电机转速达到其额定转速时,对电机进行弱磁控制,实现恒功率下的电机加速旋转,最大化的将多余的能量转存到飞轮系统中,提高光伏发电电能的利用率。
  最后,在Matlab/Simulink中建立了太阳能飞轮储能控制系统模型并进行仿真,结果表明本文所提出的控制方法能够较快的响应外界环境的变化,提高了能量利用率,具有一定的实用性。
[硕士论文] 王晗
动力工程及工程热物理 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:管式太阳能集热器是太阳能光热利用最常用的结构,制作成本低,集热条件便于控制,但仍存在集热效率低、单位面积太阳能利用率低的问题。近年来,大量学者致力于研究纳米流体在太阳能光热领域的应用,大大提高了集热介质的光热转换能力,但仍然存在着分散稳定性差、制备工艺复杂且成本高的问题,难以大范围推广。因此,提高集热介质性能、开发新型太阳能综合利用方法对太阳能光热利用的规模化应用具有重要意义。
  受中华墨颜色浓黑、性能稳定的启发,本文提出将中华墨应用于太阳能光热利用。将中华墨与质量分数相同的Cu、CuO和炭黑纳米流体进行对比研究,证明中华墨在分散稳定性及光热转换性能方面都具有优异的性能。对中华墨纳米流体进一步分析,发现微观上中华墨是一种骨胶包裹在炭黑颗粒表面的核壳结构集热介质,是具有表面双电层结构的胶体体系,这种结构对提高分散稳定性、改善光热转换性能方面起到重要作用。在中华墨的太阳辐射转换机理基础上制备了蛙卵仿生结构(BSMFE)集热介质,并通过实验证明其优异性能。
  在此基础上,依据植物对阳光选择性吸收的特性,本文提出光热农业这种太阳能综合利用新方法,将太阳能光热利用和绿色植物的种植结合起来,提高单位面积经济产值。针对该方法设计了多种类型的产业化装置。基于光热农业,提出单元组合转子动态集热器,并通过实验研究表明,加入转子后光热转换效率大幅提高,低流阻结构优于两叶片结构,黑色转子优于透明转子,流速对光热转换过程几乎无影响。
[硕士论文] 唐雪山
动力工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:随着化石能源日益消耗以及环境问题不断加剧,节能减排已经成为可持续发展的重要议题。直膨式太阳能热泵技术与微通道换热器技术相结合,集成了两种技术的优点,使节能效果大大增强。本文利用现有的直膨式太阳能热泵机组微通道集热蒸发器结构数据和实验数据作为已知参数,进行一维热力特性和三维制冷剂分配特性仿真,研究微通道蒸发器在热泵系统中流动及换热特性,并改变参数进行对比分析,优化结构,提高蒸发器性能,主要内容如下:
  对现有直膨式太阳能热泵系统实验台的建立进行介绍,包括:系统结构及循环流程、系统各部件与整机的建立、系统实验数据采集及其控制。该实验台实现了控制压缩机开关与电子膨胀阀开度使其启动与保持稳定运行,并实时监控、采集和保存各测量参数。
  采用状态方程和多项式拟合法建立了R290的热物性计算模型,用分布参数法建立了直膨式太阳能微通道蒸发器数学模型,利用Matlab编制了该蒸发器的一维仿真程序,探究了制冷剂在微通道集热蒸发器中的流动及换热特性。在稳定工况下,计算微通道蒸发器主要参数换热量为2288.5W,压降为98.23kPa,通过与实验数据对比发现,计算值与实验值误差均小于10%。研究了环境参数(太阳辐射、室外风速、环境温度)、不同流量以及流程内扁管数设计对蒸发器性能的影响。
  对微通道蒸发器中制冷剂分配特性进行三维仿真,利用商用软件CFD的可视化优势研究不同干度以及入口位置对制冷剂流量分配的影响。计算结果显示:干度的差异对制冷剂分配情况的影响微乎其微,而当蒸发器进口垂直于集流管中间位置的时制冷剂分配情况最好,不均匀度S比原结构低0.002。
[硕士论文] 李军
热能工程 广西大学 2018(学位年度)
摘要:直接利用聚光器采集阳光进行照明的技术是近年来太阳能的重要应用方式之一,尤其对阳光很难照射的地点,比如建筑物的地下室或地下商业街等。充分有效地利用太阳能这种可再生能源不仅能节省电能,而且绿色健康,因为照明过程不会产生环境污染;同时太阳光还具有更好的显色能力,让室内的环境变得更加舒适。本文围绕无跟踪太阳能光纤导光系统的整体设计和实现方式进行了理论探讨,计算机建模分析,以及实验测量与评估。本文的主要内容如下:
  本文对国内外直接利用太阳光进行照明的系统进行全面调研,深入总结,然后提出系统方案——无跟踪太阳能光纤导光系统,并分析了各部件原理。本文还对采集太阳能进行照明的相关理论,如太阳运动学,太阳光能量,光纤损耗等进行了总结和分析,这对整个系统的建造和设计起到关键作用。
  文中阐述了聚光单元的构造,以及聚光原理。在Soildworks软件中进行建模并赋予材料性质,并在Tracepro软件中进行光线模拟和分析。实验结果表明,该聚光器具有较大的光线角度容差度,在阳光偏离一定角度后仍然能传输足够量的阳光。
  为实现多个聚光头组成相应空间阵列在一定程度上互补采光,并充分利用聚光头的采光容差度,本文设计并建造了一种固定的采光平台。将光纤,聚光头,聚光平台组装完成后进行实际测量并进行分析,检验整个系统的基本功能效果。
  模拟光线路径计算结果显示随着偏角从1°偏转到4°的过程中,导光率的变化呈近似线性下降趋势。且在偏转到4°时仍能提供38.8%的传输效率。利用聚光器的这种性质,设计了固定的试验台,并进行了实验测试,测试结果表明系统在中午时段拥有较好的照明度,稳定在350lx,亮度超过200lx的照明时间持续超过5小时,达到了设计要求。
  理论分析和测量结果表明,该无跟踪太阳能光纤导光系统具有较大容差度,可以在非实时跟踪太阳角度的情况下仍然能平稳输出。系统没有运动部件,避免了实时跟踪系统长期转动极易损坏的缺点,其整体系统结构简单,特别适合于商业推广应用。
[硕士论文] 李宜生
电力系统及其自动化 广西大学 2018(学位年度)
摘要:在常规能源逐渐减少与环境污染日益严峻的今天,太阳能光伏光热综合利用技术得到了较大的提高,光伏光热综合利用系统得到越来越多的推广和支持,但外界不断变化的环境因素严重降低了PV/T系统的太阳能利用效率,如何有效提高系统的太阳能利用率仍然有很多技术难点需要去攻克。
  本文搭建了光伏光热系统平台,建立了强制循环型的光伏光热综合利用系统最大输出等效功率数学模型,从理论层面对影响系统最大输出总等效功率的因素及流量优化控制策略进行分析。之后,根据变化的外界环境动态优化控制水流速来提高系统太阳能利用率。主要研究工作如下:
  首先,搭建了光伏光热综合利用系统及与之对应的监控系统,分析了光伏电池的基本工作原理和外在环境对光伏电池输出特性的影响。其次,建立了系统输出总等效功率的数学模型,对输出热、电功率进行了实验验证,同时给出了系统性能评价方法;在MATLAB上基于控制变量法分析了不同系统参数对输出总等效功率的影响,得到了相应的影响规律。接着,分析了恒流速控制方式的缺点,给出了基于PSO-AFSA混合优化算法对系统输出总等效功率进行极值搜寻,动态优化水流速的控制策略。最后,通过设计恒定水流速和动态优化水流速实验,对比实验数据证明了动态优化控制水流速策略的可行性。
[硕士论文] 姜开林
动力工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:在科技进步和环保需求的共同驱动下,全球能源消费增速变缓,能源结构向着更清洁、更低碳的方向发展。直膨式太阳能热泵(DX-SAHP)将太阳能集热器与热泵蒸发器有机集成,可以有效提高集热效率和蒸发温度,获得较高性能系数。本文对变容量DX-SAHP系统的运行性能和运行控制方式进行了理论与实验研究,分析了不同运行参数对系统性能的影响,提出了系统运行控制策略,实现了系统优化运行。
  构建了DX-SAHP系统实验平台,该平台主要由裸板式集热/蒸发器,变频压缩机,微通道冷凝器、蓄热水箱、电子膨胀阀以及配套设计的数据采集控制系统构成。工质采用制冷剂R134a,充注量为1000g。实验平台的初步运行测试结果表明,系统运行良好,夏季典型工况下系统平均性能系数达到5.43,平均集热效率为1.17。
  建立了DX-SAHP系统仿真模型,模型包括制冷剂R134a的物性模型以及系统各部件模型。基于MATLAB计算软件,编写了该模型的仿真程序。对仿真模型进行了多工况实验验证,结果表明,系统各运行参数模拟误差低于12%。基于该仿真模型,对实验系统在典型工况下的运行性能进行了模拟分析。模拟结果为,在辐射强度为650W·m-2工况下,平均性能系数为5.40,平均集热效率为1.25,在辐射强度为200W·m-2工况下,平均性能系数为4.00,平均集热效率为3.06,说明DX-SAHP系统在太阳辐射较低的工况下仍具有良好制热能力。
  对系统运行控制参数进行了模拟研究,包括过热度和压缩机转速,确定了过热度理想控制范围为5~10℃和转速理想运行模式为依据太阳辐射调速的变速运行模式。建立了太阳辐射简化模型,对集热/蒸发器倾角进行了模拟研究,确定了纬度36°附近地区理想倾角范围为45~60°。结合DX-SAHP仿真模型和太阳辐射简化模型,对系统加热时长进行了模拟研究,提出了加热时长与初始水温的线性拟合公式。基于过热度和转速控制,提出了变容量DX-SAHP系统控制策略,全工况实验测试结果表明,控制策略可以准确控制加热时间,获得较高性能系数。
[硕士论文] 刘孝敏
供热、供燃气、通风及空调工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:本文以不同构造尺寸的平板微热管为研究对象,分别开展构造参数和应用参数优选试验,并根据优选参数构建了微热管平板太阳能集热器,测试了新构建的微热管平板太阳能集热器的热性能。
  在对比分析了影响平板微热管性能的主要因素基础上,总结了体现平板微热管的启动性能、等温性能和传热性能的系列评价参数。设计并加工了可实现不同应用条件的平板微热管性能测试的试验平台。通过试验,完成不同平板微热管的等温性能、启动性能和传热性能的测试,对比分析得出优选的平板微热管外观几何尺寸为:长930mm,宽50mm,厚3mm。优选构造参数为:上下壁厚0.45mm,微小通道相邻侧壁厚度0.35mm,微小通道截面积6.09mm2,微小通道个数为15。丙酮工质的平板微热管的综合性能较甲醇工质的优异。
  结合平板微热管在太阳能集热器中的应用特点,通过对比试验研究了不同应用参数对平板微热管的性能影响。在不同放置倾角下,平板微热管传热性能不同。当平板微热管在与水平方向夹角在30°~60°范围内放置时,其传热能力相对较好。定义了无量纲的蒸发冷凝长度比Lec,并试验得出当Lec处于1.16~1.66之间时,丙酮工质的平板微热管传热能力相对较好。冷凝段弯折角度应在60°以内,平板微热管均能正常启动工作并有良好的相变换热能力。冷凝段强化换热使得工质蒸汽快速冷凝,加速微热管内部气-液两相循环流动,有效增大平板微热管的极限热流密度,显著提高传热性能。
  总结分析平板太阳能集热器的构建原则,应用优选的相关参数,构建并设计出了外观尺寸2000×1000×90mm的微热管平板太阳能集热器。阐述了能量平衡方程及总热损定性分析方法,设计了适用于微热管平板太阳能集热器生产的工艺流程。最后,通过瞬时效率测试试验,参考国家标准,得出微热管阵列平板太阳能集热器试件1的瞬时效率截距与斜率分别优于国家标准12.08%,3.38%;试件2的瞬时效率截距与斜率分别优于国家标准17.5%,4.18%。微热管平板太阳能集热器相较普通平板太阳能集热器有明显的性能提升。
[博士论文] 冯瑾
物理化学 山东大学 2018(学位年度)
摘要:光是大自然取之不尽的清洁能源,是人类和各种生物赖以生存的基础。关于光能利用的研究多种多样——从宏观到微观,从实验到理论。把光当作能源进行利用的体系有很多,主要关注其中的两种:一是生物体系,另一种是光催化材料。生物体系可以利用太阳能通过光合作用产生有机物和氧气,其中发生的反应有能量传递、电荷传递和氧化还原过程等。参与光合作用的结构主要有光捕获中心Ⅱ(LH2),光捕获中心Ⅰ(LH1)和反应中心(RC)。这三种结构中都含有发色团分子类胡萝卜素和叶绿素,还包括一些蛋白质和水环境。相比于结构复杂的植物体系,结构简单的光合细菌中的LH2是一个很好的研究对象。光催化材料的种类有很多,比如过渡金属的氧化物。它们在光的照射下可以变成由基态变成激发态,进而氧化和还原一些物质(例如水),从而把太阳能转化成化学能。在众多的光催化材料中,石墨烯型的碳氮材料(g-C3N4)由于拥有稳定性高,材料来源广泛,成为了一个新的研究热点。
  本文采用高精度的多体格林函数方法,分别研究了光合系统中的激发态动力学和g-C3N4的改进原理,具体包括:类胡萝卜素到叶绿素的能量传递;类胡萝卜素自身的激发态势能面;g-C3N4与碳量子点(Cdot)异质结构的电子传递机理;B和O共掺的g-C3N4的激发态行为。本文的第一章介绍了光合系统的结构和功能,以及研究的热点,并介绍了g-C3N4在光催化方面的研究背景和现状。第二章主要对第一性原理计算的一些理论进行了介绍,其中包括密度泛函理论和多体格林函数理论。第三章研究了类胡萝卜素在基态和激发态的性质,在原始的类胡萝卜素的激发态模型之外发现了新的激发态,并分析了这个新态的轨道跃迁组成、激子分布、能量传递效率等。第四章主要探究了类胡萝卜素的构型扭转后,激发态的变化规律。第五章介绍了Cdot上的官能团种类对其与g-C3N4组成的异质结的性质的影响。第六章不但研究了B和O的共掺对g-C3N4光催化性质的影响,并发现了在共掺中决定催化行为的一个重要因素。主要研究内容和结论如下:
  一、类胡萝卜素不仅自身能吸光,还能把吸收的能量传递给叶绿素。但是,类胡萝卜素的哪些激发态参与了能量传递过程一直有争议,理论计算和实验测量的能量传递速率的巨大差异也没有得到很好的解释。之前的研究认为参与类胡萝卜素能量传递的处于基态S0和吸收峰S2之间的新态是1Bu-,但1Bu-的能量值过低不能向叶绿素的Qx态进行能量传递,而且1Bu-对类胡萝卜共轭长度N的依赖性与实验测量不符。在基态进行能量吸收的计算时,没有在基态S0和吸收峰S2之间发现新的吸收态。但是类胡萝卜素向叶绿素进行能量传递时,类胡萝卜素结构并不处于基态构型,而是处在激发态S2弛豫到的自身最低能量所对应的构型。用多种方法得到S2的弛豫结构,并用多体格林函数和高精度的EOM-CCSD方法对弛豫结构进行激发能的计算,发现在低于S2态0.1eV处出现了新的激发态(命名为Sy态)。Sy的对称性是Ag+,在基态的吸收能高于S2大约0.5eV,也就是说Sy的斯托克斯位移比S2大0.6eV。得到了1Ag+态的能量值,发现其能量大于Sy,所以把Sy的对称性命名为n Ag+。对共轭长度N=5-13的类胡萝卜素都进行了激发态行为的研究,发现Sy态随共轭长度N的变化规律与实验相符。把Sy态加入到类胡萝卜素的激发态模型中,并以此模型为基础进行了二维电子光谱的模拟。模拟结果与实验吻合得很好,这进一步验证了提出的模型的正确性。在结构方面,发现甲基对吸收峰S2态和新态Sy的激发能影响并不大,但是对暗态2Ag-和1Bu-的能量影响很大。激发态之间能量差可以影响能量的传递方向和速率,所以在不改变类胡萝卜素吸收峰的情况下,甲基的加入对改变类胡萝卜素的能量传递途径很有用。最后,计算了Sy和S2向叶绿素进行能量传递的速率。能量传递主要通过类胡萝卜素的吸收峰S2态进行,Sy进行能量传递的能力约是S2态的十分之一。发现之前理论和实验上能量传递速率的巨大差值不仅来源于缺少了新态,而且来源于耦合项的计算数值偏低。
  二、类胡萝卜素是一种含有甲基等官能团的多烯,它在生物体内经常以稍微变形的全反式构型存在,但在特定溶液中也会变成顺式构型。类胡萝卜素从全反式变成顺式构型后,一些激发态的能量值改变很多,一些低吸收强度的态也被发现拥有了很高的强度。这些性质对于类胡萝卜素的定向应用来说是很重要的,但是关于类胡萝卜素的不同构型的激发态的系统研究还没有被报导过。在本文中对于多种类胡萝卜素从全反式变成顺式的势能面进行了研究。发现质子化会改变类胡萝卜素激发态的绝对能量,但不会改变势能面上的势阱个数;类胡萝卜素势能面的形状不仅仅与共轭长度N有关,也和旋转中心相关,不同的旋转中心得到的势能面形状不同;甲基的加入在顺式和全反式构型中都可以调节带隙,但是对于不同的共轭长度和不同的构型调节的力度并不相同。这不仅阐明了影响激发态能量的因素,也为定量改变激发态的能量提供了方法。
  三、自从g-C3N4被发现可以在阳光下产氢之后,关于g-C3N4产氢机理的解释和产氢效率的提高一直是研究热点。实验上发现,g-C3N4和Cdot耦合在一起可以获得较高的产氢速率,但是其中机理并不清楚。一些理论研究从Cdot的形状和尺寸出发,得到了适合的形状和尺寸。但是他们使用的模型是-H饱和的石墨烯片段,与实验上用-OH,-CHO,-COOH等官能团饱和的碳量子点有很大的区别。采用尽量与实验贴近的模型去解释实验现象,并研究了碳量子点上官能团的种类对异质结性质的影响。发现,g-C3N4/Cdot异质结产氢效率的提高是因为它是一种Ⅱ型异质结,光照之后的电子和空穴分布在两种不同的物质上,大大减小了电子空穴的复合速率,提高了电子和空穴的有效利用率。通过改变官能团的种类,发现当官能团被还原(电负性变弱)时,Cdot的HOMO和LUMO能量上升;当官能团被氧化(电负性增强)时,Cdot的HOMO和LUMO能量下降。通过改变官能团的种类,可以形成不同种类的Ⅱ型异质结。当Cdot的官能团电负性弱时,激发态的电子聚集在g-C3N4上,空穴聚集在Cdot上,所以H2在g-C3N4上产生,O2在Cdot上产生。当Cdot上的官能团电负性强时,激发态的空穴聚集在g-C3N4上,电子聚集在Cdot上,所以O2在g-C3N4上产生,H2在Cdot上产生。这个变化规律对改变Cdot的电子性质有指导意义,有利于开发更多包含Cdot的异质结。
  四、掺杂是一种广泛应用的改造物质的手段,可以有效提高g-C3N4的产氢效率。但是,单元素掺杂存在着半占据态,会成为电子和空穴的复合中心。包含n-type和p-type元素的钝化掺杂可以避免半占据态的产生。使用原子个数比为1∶1的B元素和O元素掺杂g-C3N4,发现钝化的g-C3N4不仅增加了可见光范围的吸收,也提高了电子和空穴的分离速率。但这些效果受制于B和O的相对位置,只有当B和O在不同的g-C3N4单元,整个体系形成一种平面型异质结时,上述增强的效果才会实现。微观结构在g-C3N4共掺中的重要作用被验证,为实验上的操作提供了参考。
[硕士论文] 徐玉良
水工结构工程 山东大学 2018(学位年度)
摘要:地热能是一种新型的洁净能源,随着地下水源热泵以及钻井技术的发展,地热能得到了广泛的开发利用。在浅层地热开发过程中,地下水源热泵系统的好坏、优劣与当地的水文地质情况以及布井方式密切相关,而由于地层结构的复杂性,深层地下热水的开采也存在诸多不确定性。本文针对山东省齐河地区浅层及深层地热资源的开发利用,通过阅读工程背景及学术论文资料,综合采用理论分析、现场试验、物探和数值模拟等方法,对研究区地下水源热泵抽灌井优化布置以及深层地下热水资源开采效应进行研究,主要研究内容如下:
  (1)分析总结工程背景资料及相关理论。在充分了解研究区地质构造、水文地质条件与地热地质条件的基础上,结合地下水渗流、地下多孔介质传热基础理论,为构建地下水—热传输耦合数值分析模型打下基础。
  (2)通过现场试验求取相关水文地质参数。在研究区内施工水文地质勘探孔,实施了现场稳定流抽水与回灌试验,求取目标含水层的渗透系数、单井涌水量曲线方程、允许开采量以及平均回灌率,对地下水进行腐蚀性与结垢性评价,确定本区地下水不会造成设备的腐蚀以及管道堵塞。
  (3)对地下水源热泵抽灌井优化布置开展数值模拟研究。利用数值模拟计算单组及井群抽灌井在直线型、L型和半圆形布置方式下夏季制冷期和冬季供暖期的地温场以及抽水井温度的变化,确定抽灌井合理井距为48m,井群采用抽水井温度变化最低的L型布置,最后对地下水源热泵的运行布置提出合理化建议。
  (4)开展地面物探工作,了解研究区深层地层结构特征。利用CSAMT法、MT法以及电阻率测深法对研究区开展地球物理勘探,推断奥陶系热储层岩石破碎或岩溶发育位置,根据物探结果确定地热井井位、井深及取水段位置,估计地热井出水量、水温和水质状况。
  (5)进行深层地热开采效应数值模拟研究。构建数值模型研究不同出水量工况下地热井长期开采的压力及水温,对开采30年的放热量、单位面积可采热储存量进行计算,确定地热井保护范围及合理井距。针对四种工况下地热井正常开采及超采的地面沉降状况展开模拟预测,给出地热资源开发利用的建议。
[硕士论文] 黄斌
动力工程 山东大学 2018(学位年度)
摘要:太阳能因其具有可持续性、绿色环保等特点,被认为是解决能源问题的重要途径。但是太阳能在利用上具有时间分布不均匀的局限性,太阳能蓄热技术就是针对这一问题展开研究的。除了能源问题,现今人们对居住环境要求较高,在房价日益增长的大背景下,如何利用有限的居住空间也是一个十分重要的研究方向。本文结合这两个问题,设计出一种快速式壁挂自然循环相变太阳能蓄热装置,该装置可悬挂或镶嵌在室外墙壁或阳台上,不需要与集热器有高差,并能快速得到生活所需热水。
  对快速式壁挂自然循环相变太阳能蓄热装置的研究,本文先是通过查阅文献寻找一种适合本文要求的蓄热材料;然后提出了一种可行的蓄热装置结构;对蓄热结构的自然循环阻力进行计算;最后通过Flunet软件模拟计算了蓄、放热过程,验证了该装置的可行性。通过研究,得到了以下方法与结论:
  1.提出了一种新的蓄热装置结构,该结构箱体扁平,可悬挂或镶嵌于室外墙壁阳台;利用太阳能集热器与蓄热装置温差,可通过自然循环完成蓄热;直接连接市政管网,也可以达到快速热水的放热效果;并最终确定了一种可供四人淋浴用热水此结构的相变蓄热箱尺寸。
  2.结合板式太阳能热水系统与供热系统自然循环的工程计算方法,得到一种适合本文蓄热装置自然循环阻力的计算方法,能对该结构及类似结构自然循环蓄热箱的循环阻力计算起到参考作用,并对本设计工况进行了阻力计算。
  3.通过对设计流速及其附近的不同流速的蓄热过程进行模拟计算,发现在设计流速及附近流速下,蓄热过程均可以在设计时间(3.8h)内完成。根据不同流速的蓄热过程的出水温度,计算得到循环压力,均大于蓄热装置的阻力损失,蓄热装置可以进行自然循环。
  4.对本设计方案中不同管径的蛇形管放热结构进行模拟计算,发现对于同一直径管道,换热效果会随着流量升高而差。对于同一流量,并不是某一管径换热效果一直最好,当流量在100-200kg/h时,管径较大的换热效果较好,当流量高于200kg/h时,管径较小的换热效果更好。
  5.对横管放热结构进行模拟计算,发现该结构更适合本设计方案,并确定了该工况下管径、管长、管束数量等参数。
[硕士论文] 高伟
控制理论与控制工程 西安工业大学 2018(学位年度)
摘要:能源的持续消耗给各个地区的社会发展都带来了一定的问题,因此研究可再生能源是未来的趋势。太阳能是众多绿色能源的一种,但其利用率不高,有时无法达到使用需求,因此本文研究了一款太阳光定向照射系统,该系统能够把外部低亮度、不同方向的太阳光汇聚并定向地照射在指定区域,以达到高效率利用太阳光以及定向照射的目的。
  本文首先通过太阳光照射的要求,选择聚调光结构和导光结构;在此基础上为了使得上述结构完成跟踪太阳和定向照射的任务,设计太阳光信息采集装置并确定跟踪控制方案:采用视日运动轨迹跟踪与图像传感器跟踪的混合方式。
  接着通过跟踪控制方案搭建跟踪系统硬件平台:以STM32F407作为信息处理的芯片、OV7670和LCD作为太阳采集和显示部分、电机驱动模块作为相应结构的控制负载。
  在软件程序方面,本课题在研究视日运动轨迹跟踪算法的基础上,通过对太阳光斑图像进行一系列图像处理仿真(灰度化处理、滤波处理、二值化处理),得出两种质心计算方法(质心法和带阈值质心法),并由此得到电机驱动参数。最后根据以上分析编写相应的跟踪程序。
  实验结果表明:本系统可以成功地在硬件平台上对太阳光斑进行图像处理和质心坐标的获取(质心法和带阈值质心法);在使用这两种方法进行定向照射实验时,均可在不同时间段内稳定有效地达到指定区域照射的标准,它们的跟踪精度分别0.52(±0.09)°~0.58(±0.09)°和0.52(±0.04)°~0.59(士0.04)°,都达到了预期跟踪精度的目标(0.5°左右);通过定向照射区域光斑的偏移量也可计算出两种方法的跟踪精度都在0°~0.6°之内。由以上实验可知该系统达到了预期的设计目标。
[硕士论文] 黄小娜
动力工程及工程热物理 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:在中高温太阳能真空集热管中,辐射热损占其热损的大部分,辐射热损随温度的升高呈指数级增长,从而降低集热器的热性能,因此减少其辐射热损非常必要。为了减少辐射热损,提高集热器的集热效率,本文对高温槽式真空集热管和中温热管式真空集热管具体开展了以下研究。
  对于槽式真空集热管,提出吸热管次吸热面扁平设计(管型Ⅰ)和吸热管主、次吸热面均扁平设计(管型Ⅱ)的两种新型集热管结构,以通过减少辐射面积来减少辐射热损。利用辐射换热的光谱分布模型,对新型管和原型管的热损进行了对比分析,接着,对结构变化较大的管型Ⅱ和原型管,使用蒙特卡洛光线追踪方法结合数值模拟方法计算分析了吸热管的能流密度分布和温度分布。结果表明,改变吸热管结构可以有效减少集热管的辐射热损,高温时(>320℃)管型Ⅰ和管型Ⅱ相对原型管热损减少占比基本稳定在8.8%和14.5%。
  对于热管式真空集热管,通过在吸热板背部增设遮热板,增大吸热板下表面与玻璃管的辐射热阻来减少吸热板下表面的辐射热损。搭建了户外实验平台,对新型和原型热管式真空管太阳能集热器的热性能在不同进口水温下进行了对比实验分析,实验结果表明,增设遮热板可有效提高热管式真空管太阳能集热器的热效率,且在高温下效果更明显。归一化温差为0.016m2·K/W和0.166m2·K/W时,效率分别提升了2.3%和11.8%。在热管式真空管太阳能集热器瞬时效率曲线中,增设遮热板可使瞬时效率曲线一次下降系数a1下降24.8%,二次下降系数a2下降29.9%。
  对热管式真空集热管建立了理论分析模型,在更大进口水温范围内(20~200℃)及不同水流速、太阳辐照度和环境温度等参数下,对新型集热器和原型集热器进行了参数分析和性能预测。结果表明,模拟和实验结果吻合较好,增设遮热板在不同参数值及同一进口水温下,对集热器热效率提升效果基本相同,可使集热器集热效率在150℃和200℃时分别提升约9.0%和14.0%。
[博士论文] Jahanzeb Alvi
Thermal Power Engineering 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:Solar energy has emerged as one of the most rapidly growing renewable sources of power generation.It has a minimum time of replenishment and maximum capacity among all available energy resources.Furthermore,it is an attractive option for coupling with low-medium temperature organic Rankine cycle(ORC)system.The system is beneficial due to good thermodynamic performance in the utilization of low-grade heat,small unit size,low technical demand in heat storage,decentralized application and suitability in regions with less direct solar radiation resource.
  The present study consists of four major parts.In the first part,a novel solar ORC system with DVG is proposed.A phase change material heat storage unit is embedded in the ORC to guarantee the stability of power generation.Compared with conventional solar ORCs,the proposed system avoids the secondary heat transfer intermediate and shows good reaction to the fluctuation of solar radiation.The technical feasibility of the system is discussed.Performance is analyzed by using17dry and isentropic working fluids.Fluid effects on the efficiencies of ORC,collectors and the whole system are studied.The results indicate that the collector efficiency generally decreases while the ORC and system efficiencies increase with the increment in fluid critical temperature.
  In the second part,an indicator,namely equivalent hot side temperature(TEHST)is proposed for the organic Rankine cycle.TEHST is derived from the ideal thermodynamic process but can denote the efficiency of irreversible ORC.In this work,the basic organic Rankine cycle is considered.Study on27fluids shows that given the operating conditions,the fluid of higher TEHST generally offers higher ORC efficiency.This relationship is stronger and more universal than those established with respect to the critical temperature,boiling point temperature,Jacobs's number and Figure of Merit.An ORC model by the method of error transfer and compensation is further built,in which the efficiency is quantitatively correlated with TEHST.
  In the third part,a thermodynamic comparison between a novel direct solar ORC system(DSOS)and indirect solar ORC system(ISOS)is carried out.A phase change material heat storage unit is integrated with both systems to ensure the stability of power generation.Water and R245fa are selected as a heat transfer fluids(HTFs)for ISOS and DSOS respectively.However,R245fa is used as working fluid for both systems.Weekly,monthly and annual dynamic simulations are carried out to compare the performance of both systems using hourly weather data of Islamabad,Pakistan.ISOS has shown1.71%system efficiency and able to provide34.02kW/day power while DSOS has shown4.5times higher system efficiency and2.8times higher power on annual basis.
  In fourth and final part,the thermal performance of the heat pipe evacuated tube solar collectors(HPETCs)with and without heat shield are investigated theoretically and experimentally.The two types of solar collectors with wickless heat pipes are tested in parallel on an outdoor test rig.A considerable agreement between the experimental and simulated results is obtained.The efficiency of the new type is up by11.8%compared to the original one in test results at the normalized temperature difference of0.166m2K/W.In instantaneous efficiency curves,the first and second order heat loss coefficients of the new type of solar collector result in28.4%and29.9%decrease compared to the original one,respectively.Furthermore,the efficiency of the two types of collectors is simulated at different cooling water flow rates,solar radiations,and ambient temperatures.It is observed that cooling water temperature is the most affecting parameter that affects the collector performance.Moreover,numerical simulations are carried out for the HPETCs based ORC systems.Results of collector and overall solar ORC system are demonstrated and compared.
[硕士论文] 黄顺平
建筑与土木工程 北京交通大学 2018(学位年度)
摘要:干/湿热岩作为深部地热能的一种储藏形式,具有能量大、无污染等特点。各国先后开展了干/湿热岩地热发电实验和商业运作。学习各国在干/湿热岩地热能开发方面的先进经验,开展水力压裂及地热能开采方面数值仿真和分析,可以为中国高温地热能源的开发和利用提供指导性建议。
  本论文在做了大量调研的基础上,以法国Soultz地热田为例,基于多场耦合理论,开展了储层改造和地热能开采的数值模拟与分析工作,重点围绕干/湿热岩地热能开发储层改造和地热能开采两个过程开展研究,以期为干/湿热岩储层改造技术,地热能开采方案优化提供参考。论文的主要研究内容和结论如下:
  (1)裂隙岩体非连续渗透性一般可等效为具有相同渗透系数张量的连续多孔介质。本文介绍了确定计算渗透率的两种方法,可以通过裂缝宽度计算,也可以建立渗透率与主应力差的函数关系,并将该关系式代入COMSOL有限元软件中开展数值模拟和分析。
  (2)介绍了固流热两场或三场耦合的数学模型和计算方法,并建立了数值分析模型。数值分析结果表明:应力场对于温度场分布影响不大。但应力可以通过影响孔隙压力梯度(或水力梯度),进而影响渗流速度的大小和方向。当应力使地下水渗流速度增大时,水流与围岩体的热量交换增加,导致围岩体温度场的重新分布。
  (3)利用Soultz地热田场地数据建立起变渗透率的热流固三场耦合模型,模拟水力压裂过程中储层渗透率和温度变化过程,分析结果表明,热刺激对于水力压裂的结果有着重要的影响。
  (4)利用Soultz地热田场地数据建立了地热能开采模型,分析不同储层参数和生产参数对于生产井温度,储层温度分布和热提取效率的影响,确定最佳的储层岩性参数以及生产参数。
[硕士论文] 孙陆乐宁
环境科学与工程 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:本文提出了一种新的计算和优化组合抛物面碟式太阳能聚光系统光学效率的方法。该方法是基于反射点光学效率的计算方法演化而来,考虑了真实太阳光强分布和光学误差高斯分布,可应用于不同曲面的组合反射镜。本文首先计算了单个反射镜的光学效率,然后计算整个系统的光学效率,并将其结果与SolTrace结果相对比,结果显示该方法在保证准确性的同时,还能够使计算量大幅减少。本文以一个反射面积为62.25m2的249块方形球面镜组合碟式系统为例,研究了其系统的光学效率和拦截率受系统焦距、接收器半径、光学误差以及镜面焦距等因素的影响大小及变化趋势。为使组合碟式系统净热效率最大,本文进一步对接收器半径、系统焦距和镜面焦距的大小进行优化。结果显示,在光学误差为2mrad时,当所有球面镜的镜面焦距等于镜面中心到接收器距离时,优化后的接收器半径为0.10m,系统焦距为7m,最佳诤热效率86.05%,此时系统拦截率为98.81%。若采用统一的镜面焦距,则最佳镜面焦距为8m,此时系统净热效率及拦截率分别为85.87%和98.60%。此外,本文还专门针对计算中应用到的太阳光强分布模型作详细的分析。本文回顾了常用的十个太阳光强分布模型,并分析了各个模型对碟式太阳能系统性能预测及优化的影响。首先,本文采用插值法拟合实测数据建立标准模型,作为对比分析的基础并用SolTrace验证。然后,通过太阳光强分布与光学误差高斯分布的卷积获得反射光强分布,进一步研究了各个太阳光强分布模型在不同因素下对系统性能预测和优化结果的影响差别。其中设置了多种参数条件变化情况,包括接收器半径与系统焦距的比值、系统边缘角、光学误差及太阳周边率等。结果表明,在光学误差小于5mrad时,太阳光强分布模型对光学性能的预测和优化有较大影响。其中,性能预测时的最大差别可达40%,优化后的结果误差可达3.45%。由于各种近似模型都存在较大误差,因此,本文基于实测数据建立了标准太阳光强模型并将其应用在计算和优化过程中。
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