碟式斯特林太阳能热发电系统的模型构建和优化研究

【摘要】：随着世界化石能源的日益枯竭和化石能源造成的环境污染和生态破坏问题的凸显,世界各国日益重视太阳能、生物质能、风能等可再生能源的开发利用。 太阳能热发电技术是规模化开发利用太阳能的一种方式,具有广阔的发展前景。与槽式、塔式太阳能热发电系统相比,碟式太阳能发电系统具有结构简单、布局灵活、发电效率高、系统优化潜力和成本降低潜力大、初始投资少、应用前景广等一系列优点,因而成为了国内外研究的焦点。碟式斯特林太阳能热发电是碟式太阳能热发电技术的一种。由于碟式斯特林太阳能热发电技术起步较晚,而且系统中斯特林发电机的制造技术要求很高,因此关于碟式斯特林太阳能热发电系统的研究较少。本课题首先提出了一种新型的改良型腔式吸热器,在分析新型腔式吸热器热力性能的基础上,构建了包含新型腔式吸热器的25kW碟式斯特林太阳能热发电系统的热阻网络模型,并分析了25kW碟式斯特林太阳能热发电系统的稳态和动态热力性能。 本课题的主要研究成果如下: 1.腔式吸热器的热损失在碟式斯特林太阳能热发电系统中占有的比例很大,而对流和辐射热损失是腔式吸热器的主要热损失。为此,综合考虑影响这两种热损失的因素,改进了腔式吸热器的入口结构和形状,提出了一种新型的改良型腔式吸热器,构建了包含新型腔式吸热器的25kW碟式斯特林太阳能热发电系统的热阻网络模型。热阻网络模型主要包括聚光器的等效热阻模型、吸热器的等效热阻模型及斯特林发动机的等效热阻模型三部分。聚光器的等效热阻模型采用经验误差分析模型,吸热器的等效热阻模型分为反射、导热、对流和辐射四部分,斯特林发动机的热阻网络模型采用马提尼的等温分析模型。与包含普通圆柱型腔式吸热器的碟式斯特林太阳能热发电系统相比,改良型腔式吸热器的对流换热损失和辐射热损失分别为普通圆柱形吸热器的56.3%和38.6%,这两种热损失之和也只有普通圆柱形的40%;与普通圆柱形腔式吸热器的碟式斯特林太阳能热发电系统相比,新型25kW碟式斯特林太阳能热发电系统的光电转换效率提高5.9%,达到了35.5%;开口面积与内表面积的比值是影响改良型腔式吸热器热损失的关键性因素,出于经济性考虑这一比值应控制在6~8之间。改良半球形腔式吸热器的火用效率不仅高于普通圆柱形腔式吸热器,而且其稳定性也较好,其优化潜力也较大,对系统效率的再次提高有很大的帮助。在优化后的系统中,碟式聚光器损失是总能量损失中最大的,碟式聚光器需要进一步的优化研究。 2.在新型的25kW碟式斯特林太阳能热发电系统模型中,考虑太阳辐射强度变化的影响和环境因素的影响,对改进后的25kW碟式斯特林太阳能热发电系统进行了动态性能分析,还分析了聚光器的光学误差和聚光比等因素对系统整体性能的影响。结果表明本系统的启动强度为474.447 W/m2,整个系统的实际工作时间为早上8:00到下午16:00。系统的峰值输出功率和效率出现在中午12:00点左右,输出功率大约为32.5kW,效率接近36%。整个系统在11:00到13:00阶段处于设计的峰值阶段,系统输出功率稳定在32 kW左右,效率接近35%。系统的输出功率和效率会随着碟式聚光器误差的增大而降低,为了保证系统的性能,碟式聚光器的倾斜误差应控制在2mrad以内,其它3种误差也应该控制在4mrad以内。随着聚光比的增加,系统的输出功率和效率会逐渐升高,但上升的趋势会变得缓慢。因此,对于本系统来说,聚光比应控制在750~1000。 本课题的创新点在于: 1.对流和辐射热损失是腔式吸热器的主要热损失。为此,综合考虑影响这两种热损失的因素,改进了腔式吸热器的入口结构和形状,提出了一种新型的改良型腔式吸热器。 2.包含新型腔式吸热器的25kW碟式斯特林太阳能热发电系统的热阻网络模型的构建及其稳态和动态热力性能的揭示。碟式斯特林太阳能发电系统是一种结构简单、布局灵活、发电效率高、系统优化潜力和成本降低潜力大、初始投资少、应用前景广的太阳能热发电系统,国内外关于该系统的系统研究很少。本课题的研究成果对碟式斯特林太阳能热发电系统研究有重要的学术价值,对碟式斯特林太阳能发电技术的试验示范和推广应用有重要的参考价值。 【关键词】：碟式斯特林太阳能热发电系统 改良型腔式吸热器 热阻网路模型 稳态热力性能 动态热力性能
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TK514
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-12
• 物理量名称及符号表12-13
• 第1章 绪论13-28
• 1.1 课题背景13-16
• 1.2 碟式斯特林太阳能热发电系统的介绍16-22
• 1.2.1 碟式斯特林太阳能热发电系统的工作原理16-18
• 1.2.2 碟式聚光器18-19
• 1.2.3 吸热器19-20
• 1.2.4 斯特林发动机20-22
• 1.3 国内外研究及发展现状22-25
• 1.4 国内外研究发展现状总结及对本课题的启示25-26
• 1.4.1 国内外研究现状总结25-26
• 1.4.2 国内外研究现状对本课题的启示26
• 1.5 本课题研究的目标、内容和意义26-28
• 1.5.1 研究目标26
• 1.5.2 研究内容26-27
• 1.5.3 研究意义27-28
• 第2章 系统热阻网络模型28-45
• 2.1 简介28
• 2.2 系统热阻网络图28
• 2.3 系统热阻网络模型28-33
• 2.3.1 系统能量传递过程的主要假设28-29
• 2.3.2 聚光器的等效热阻模型29
• 2.3.3 腔式吸热器的等效热阻模型29-30
• 2.3.4 斯特林发动机的等效热阻模型30-33
• 2.4 系统热力学性能33
• 2.5 腔式吸热器的优化33-37
• 2.5.1 简介33-35
• 2.5.2 改良半球形腔式吸热器35-36
• 2.5.3 改良型腔式吸热器的等效热阻模型36-37
• 2.6 两种腔式吸热器的性能比较37-43
• 2.6.1 热损失37-39
• 2.6.2 火用效率39-41
• 2.6.3 系统集热性能41-43
• 2.7 本章小结43-45
• 第3章 碟式斯特林太阳能热发电系统动态性能分析45-54
• 3.1 简介45
• 3.2 腔式吸热器壁面温度的确定45-46
• 3.3 系统的启动强度46-47
• 3.4 系统性能分析47-49
• 3.5 影响系统性能的因素49-53
• 3.5.1 碟式聚光器的误差49-50
• 3.5.2 聚光比50-53
• 3.6 本章小结53-54
• 第4章 结论与展望54-57
• 4.1 结论54-55
• 4.2 本课题的创新点55
• 4.3 尚待解决的问题55
• 4.4 展望55-57
• 参考文献57-62
• 致谢62-63
• 附录A 攻读学位期间发表的论文63-64
• 附录B 获奖情况64

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