Solar cavity receiver design for a dish-Stirling system

Tid: Ti 2020-02-18 kl 10.00

Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm (English)

Ämnesområde: Energiteknik

Respondent: Jorge Garrido Gálvez , Kraft- och värmeteknologi, Solar group

Opponent: Professor Uwe Gampe, Dresden University of Technology

Handledare: Professor Björn Laumert, Kraft- och värmeteknologi

Abstract

Den växande oron för den globala uppvärmningen har lett till en ökad forskningsinsats i förnybar energiteknik mot en hållbarare elproduktion. Koncentrerad solenergi (CSP) identifieras som en lovande teknik för att hantera en del av den framtida elproduktionen. I CSP-tekniken konverterar en solfångare det koncentrerade sollujset till högtemperaturvärme. Solfångaren är en av de kritiska CSPkomponenterna eftersom den arbetar under väldigt höga temperaturer och termiskflöde. Därigenom har solfångarens verkningsgraden och uthålligheten en direkt påverkan på CSP-tekniken och dess ekonomiska genomförbarhet.

Denna doktorsavhandling syftar att förbättra verkningsgraden och hålligheten hos en typisk solkavitetsfångare för dish-Stirling CSP-tekniken. Detta forskningsarbete innehåller nya experimentella och numeriska analyser som inriktar på att förbättra designen. Verkningsgraden förbättras genom analys av solfångarkavitets form, geometri och strålningsegenskaper. Hållfasthetsförbättringen uppnås genom studier av fördelaktiga stödstrukturer för solfångare. Dessutom har ett sollaboratorium utvecklats och karakteriserats för att genomföra representativa experiment. Multipla parametriska experiment andvändes för att validera de numeriska simuleringarna.

Under sollaboratoriets utveckling konstaterades att det allmänt använda CCD-kamera-Lambertian-mål systemet inte kunde användas för sollaboratorikarakteriseringen med Fresnel-linser. På grund av detta utfördes laboratoriekarakteriseringen med en termopil-sensor (mätning av termisk flöde) och en platt kalorimeter. Dessutom gjorde en detaljerad Monte Carlo-osäkerhetsanalys det möjligt att utvärdera osäkerhetskedjan. Experimenten utformades för att öka noggrannheten i de slutligaresultaten.

I den studerade kavitetsfångaren var öppningdiametern den viktigaste parametern för dess verkningrad. Den koniska kavitetsformen gav den högsta verksningsgraden medan verkningsgraden potentiellt kan ökats 0.6% genom idealiska kavitetstrålningsegenskaper (hög emissivitet/absorptivitet förhållande). Studierna antyder att konvektion har en försumbar inverka för att bestämma den optimala öppningsdiametern och DNI-värdet har liten påverkan. Slutligen gav simuleringarna en kavitetsfångare med en maximal total verkningsgrade av 91.5%.

Experimentella mätningar av solfongarens utböjning andändes för att hitta realistiska mekaniska randvillkor. Ytterligare strukturella simuleringar antydde att de termomekaniska spänningarna kan minskas genom justering av solfångarens stödpunkter. Detta kan uppnås med tillämpningen av krafter och vridmoment. Dessutom kan toppspänningarna flyttas till kallare regioner för att förlänga solfångarens livslängd. Med nya stödpositioner kan livslängden mot creep öka 57% för det studerade fallet.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-266773