太阳能斯特林热发电系统光热转化热效率的研究

【摘要】：太阳能热发电是当前新能源领域最为热门的话题之一。“碟式聚光+斯特林热机”的发电模式因具有高效、清洁、无污染的特点而日益受到重视。光热能量的转化是系统热发电中最为重要的关节，其热效率的高低直接决定了热发电系统的经济效益和发展前景。本文以38KW级别的太阳能斯特林热发电系统为研究对象，围绕系统光热转化的热效率进行机理和数值分析的深入研究。 本文首先对太阳能斯特林热发电系统光热能流的产生以及传递和转化路径进行了分析，将系统划分为光热碟式聚能单元和热功斯特林热机单元，并对各单元功率损失规律和热效率进行了定性分析；然后，根据斯特林热机系统热功传递和转换原理，利用热力学理论和实用等温分析法，建立了太阳能光热碟式聚能单元输入光能到输出热能、热功斯特林热机单元输入热能到输出机械能的能流功率损失与热效率的精细数学模型，所建的模型与各单元的众多结构参数和运行参数密切相关，以38KW级别的太阳能斯特林热发电系统为实例，运用MATLAB数值分析软件，数值分析了各单元的能量损失，得到了各单元能量损失的显著性结果及结构、运行参数和热功率损失及热效率之间的特性关系；最后，对各单元部件功率损耗的显著性影响进行了分析，得出了回热器是功率损耗影响最大的部件，以提高光热转化热效率为目的，对回热器进行了结构参数的优化研究。 研究结果表明，聚光器的光学损失、吸热器的再辐射热损失和反射热损失是光热碟式聚能单元的主要热损失；回热器流阻损失、导热损失和活塞的穿梭传热损失是热功斯特林热机单元主要功率损失；各单元的功率损失和热效率与其内部的多种结构参数和运行参数密切相关，光学误差δ、吸热器开口直径Dap是影响光热碟式聚能单元功率损失和热效率的结构参数；太阳直射强度I、平均压力P是影响热功斯特林热机单元功率损失和热效率的主要运行参数。当回热器芯长度为3.3cm、芯直径为6.6cm、填料采用不锈钢丝网，孔隙率为0.708时，总功率损失的降幅比例为14.86%。各单元热效率得到提高，从而提高了系统整体光热转化的热效率。 通过对太阳能斯特林热发电系统光热转化热效率的研究，其得出的众多研究成果对设计一类高效、可靠、稳定工作的系统能提供理论支撑和指导意义。 【关键词】：太阳能斯特林热发电系统 光热转化效率 功率损失 数值分析 回热器的结构参数优化
【学位授予单位】：湖南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-21
• 1.1 课题研究背景和意义13-16
• 1.2 国内外研究与发展现状16-19
• 1.2.1 关键技术的研究与发展16-17
• 1.2.2 系统性能分析方法的研究与现状17-19
• 1.3 本文主要研究内容19-21
• 第二章 光热能流转化特征及功率损耗特性分析21-32
• 2.1 光热能流转化与传递特征21-22
• 2.2 光热能流转化单元的结构及工作原理22-30
• 2.2.1 光热碟式聚能单元的结构及基本原理22-26
• 2.2.2 热功斯特林热机单元结构及基本原理26-30
• 2.3 光热能流转化功率损耗特性分析30
• 2.4 本章小结30-32
• 第三章 光热能流转化单元机理分析及热效率模型构建32-50
• 3.1 光热碟式聚能单元传热机理及热效率模型32-37
• 3.1.1 光热碟式聚能单元传热机理32-33
• 3.1.2 光热碟式聚能单元功率损失及计算33-37
• 3.1.3 光热碟式聚能单元热效率数学模型37
• 3.2 热功斯特林热机单元传热机理及热效率模型构建37-49
• 3.2.1 热功斯特林热机单元传热机理37-38
• 3.2.2 热功斯特林热机单元功率损失及计算38-44
• 3.2.3 热功斯特林热机单元热效率模型构建44-49
• 3.3 本章小结49-50
• 第四章 光热能流转化单元功率损失及热效率数值分析50-65
• 4.1 数值分析软件介绍50
• 4.2 光热碟式聚能单元功率损失及热效率数值分析50-56
• 4.2.1 实例单元结构与性能参数50-51
• 4.2.2 功率损失及热效率51-53
• 4.2.3 关键因素的影响显著性分析53-56
• 4.3 热功斯特林热机单元功率损失及热效率数值分析56-63
• 4.3.1 实例单元主要结构及运行参数56-57
• 4.3.2 功率损失及热效率计算流程图57-58
• 4.3.3 功率损失及热效率58-63
• 4.4 本章小结63-65
• 第五章 基于热效率最大的光热能流转化单元部件的结构参数优化65-73
• 5.1 光热能流转化单元部件功率损耗的影响分析65
• 5.2 回热器结构参数的优化65-72
• 5.2.1 优化变量的确定66
• 5.2.2 目标函数的建立66-68
• 5.2.3 约束条件的范围68-69
• 5.2.4 优化方法的选择69-70
• 5.2.5 计算结果及分析70-72
• 5.3 本章小结72-73
• 第六章 结论与展望73-75
• 6.1 全文结论73-74
• 6.2 研究展望74-75
• 参考文献75-79
• 致谢79-80
• 附录 A：攻读学位期间参研项目和发表论文目录80

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