碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的模型構(gòu)建和優(yōu)化研究.pdf

1、隨著世界化石能源的日益枯竭和化石能源造成的環(huán)境污染和生態(tài)破壞問(wèn)題的凸顯，世界各國(guó)日益重視太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、風(fēng)能等可再生能源的開(kāi)發(fā)利用。
　　 太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)是規(guī)?；_(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的一種方式，具有廣闊的發(fā)展前景。與槽式、塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)相比，碟式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布局靈活、發(fā)電效率高、系統(tǒng)優(yōu)化潛力和成本降低潛力大、初始投資少、應(yīng)用前景廣等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而成為了國(guó)內(nèi)外研究的焦點(diǎn)。
　　 碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電

2、是碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的一種。由于碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)起步較晚，而且系統(tǒng)中斯特林發(fā)電機(jī)的制造技術(shù)要求很高，因此關(guān)于碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的研究較少。本課題首先提出了一種新型的改良型腔式吸熱器，在分析新型腔式吸熱器熱力性能的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了包含新型腔式吸熱器的25kW碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，并分析了25kW碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)熱力性能。
　　 本課題的主要研究成果如下：
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3、．腔式吸熱器的熱損失在碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中占有的比例很大，而對(duì)流和輻射熱損失是腔式吸熱器的主要熱損失。為此，綜合考慮影響這兩種熱損失的因素，改進(jìn)了腔式吸熱器的入口結(jié)構(gòu)和形狀，提出了一種新型的改良型腔式吸熱器，構(gòu)建了包含新型腔式吸熱器的25kW碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型。熱阻網(wǎng)絡(luò)模型主要包括聚光器的等效熱阻模型、吸熱器的等效熱阻模型及斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的等效熱阻模型三部分。聚光器的等效熱阻模型采用經(jīng)驗(yàn)誤差分析模型，吸熱器的

4、等效熱阻模型分為反射、導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射四部分，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型采用馬提尼的等溫分析模型。與包含普通圓柱型腔式吸熱器的碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)相比，改良型腔式吸熱器的對(duì)流換熱損失和輻射熱損失分別為普通圓柱形吸熱器的56.3％和38.6％，這兩種熱損失之和也只有普通圓柱形的40％;與普通圓柱形腔式吸熱器的碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)相比，新型25kW碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率提高5.9％，達(dá)到了35.5％；開(kāi)口面積與

5、內(nèi)表面積的比值是影響改良型腔式吸熱器熱損失的關(guān)鍵性因素，出于經(jīng)濟(jì)性考慮這一比值應(yīng)控制在6～8之間。改良半球形腔式吸熱器的火用效率不僅高于普通圓柱形腔式吸熱器，而且其穩(wěn)定性也較好，其優(yōu)化潛力也較大，對(duì)系統(tǒng)效率的再次提高有很大的幫助。在優(yōu)化后的系統(tǒng)中，碟式聚光器損失是總能量損失中最大的，碟式聚光器需要進(jìn)一步的優(yōu)化研究。
　　 2．在新型的25kW碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)模型中，考慮太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化的影響和環(huán)境因素的影響，對(duì)改進(jìn)后的

6、25kW碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)性能分析，還分析了聚光器的光學(xué)誤差和聚光比等因素對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響。結(jié)果表明本系統(tǒng)的啟動(dòng)強(qiáng)度為474.447W/m2，整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際工作時(shí)間為早上8:00到下午16:00。系統(tǒng)的峰值輸出功率和效率出現(xiàn)在中午12:00點(diǎn)左右，輸出功率大約為32.5kW，效率接近36％。整個(gè)系統(tǒng)在11:00到13:00階段處于設(shè)計(jì)的峰值階段，系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定在32kW左右，效率接近35％。系統(tǒng)的輸出功率和效率會(huì)

7、隨著碟式聚光器誤差的增大而降低，為了保證系統(tǒng)的性能，碟式聚光器的傾斜誤差應(yīng)控制在2mrad以內(nèi)，其它3種誤差也應(yīng)該控制在4mrad以內(nèi)。隨著聚光比的增加，系統(tǒng)的輸出功率和效率會(huì)逐漸升高，但上升的趨勢(shì)會(huì)變得緩慢。因此，對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，聚光比應(yīng)控制在750～1000。
　　 本課題的創(chuàng)新點(diǎn)在于：
　　 1．對(duì)流和輻射熱損失是腔式吸熱器的主要熱損失。為此，綜合考慮影響這兩種熱損失的因素，改進(jìn)了腔式吸熱器的入口結(jié)構(gòu)和形狀，提出了

8、一種新型的改良型腔式吸熱器。
　　 2．包含新型腔式吸熱器的25kW碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建及其穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)熱力性能的揭示。
　　 碟式斯特林太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布局靈活、發(fā)電效率高、系統(tǒng)優(yōu)化潛力和成本降低潛力大、初始投資少、應(yīng)用前景廣的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于該系統(tǒng)的系統(tǒng)研究很少。本課題的研究成果對(duì)碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)研究有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，對(duì)碟式斯特林太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的試驗(yàn)示范和推