碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的模型構建和優(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)破壞問題的凸顯，世界各國日益重視太陽能、生物質能、風能等可再生能源的開發(fā)利用。
　　 太陽能熱發(fā)電技術是規(guī)?；_發(fā)利用太陽能的一種方式，具有廣闊的發(fā)展前景。與槽式、塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)相比，碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)具有結構簡單、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、應用前景廣等一系列優(yōu)點，因而成為了國內外研究的焦點。
　　 碟式斯特林太陽能熱發(fā)電

2、是碟式太陽能熱發(fā)電技術的一種。由于碟式斯特林太陽能熱發(fā)電技術起步較晚，而且系統(tǒng)中斯特林發(fā)電機的制造技術要求很高，因此關于碟式斯特林太陽能熱發(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上，構建了包含新型腔式吸熱器的25kW碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的熱阻網絡模型，并分析了25kW碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(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能熱發(fā)電系統(tǒng)中占有的比例很大，而對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，改進了腔式吸熱器的入口結構和形狀，提出了一種新型的改良型腔式吸熱器，構建了包含新型腔式吸熱器的25kW碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的熱阻網絡模型。熱阻網絡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)動機的等效熱阻模型三部分。聚光器的等效熱阻模型采用經驗誤差分析模型，吸熱器的

4、等效熱阻模型分為反射、導熱、對流和輻射四部分，斯特林發(fā)動機的熱阻網絡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能熱發(fā)電系統(tǒng)相比，改良型腔式吸熱器的對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能熱發(fā)電系統(tǒng)相比，新型25kW碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的光電轉換效率提高5.9％，達到了35.5％；開口面積與

5、內表面積的比值是影響改良型腔式吸熱器熱損失的關鍵性因素，出于經濟性考慮這一比值應控制在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，碟式聚光器需要進一步的優(yōu)化研究。
　　 2．在新型的25kW碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)模型中，考慮太陽輻射強度變化的影響和環(huán)境因素的影響，對改進后的

6、25kW碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)進行了動態(tài)性能分析，還分析了聚光器的光學誤差和聚光比等因素對系統(tǒng)整體性能的影響。結果表明本系統(tǒng)的啟動強度為474.447W/m2，整個系統(tǒng)的實際工作時間為早上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點左右，輸出功率大約為32.5kW，效率接近36％。整個系統(tǒng)在11:00到13:00階段處于設計的峰值階段，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

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控制在2mrad以內，其它3種誤差也應該控制在4mrad以內。隨著聚光比的增加，系統(tǒng)的輸出功率和效率會逐漸升高，但上升的趨勢會變得緩慢。因此，對于本系統(tǒng)來說，聚光比應控制在750～1000。
　　 本課題的創(chuàng)新點在于：
　　 1．對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，改進了腔式吸熱器的入口結構和形狀，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碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的熱阻網絡模型的構建及其穩(wěn)態(tài)和動態(tài)熱力性能的揭示。
　　 碟式斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)是一種結構簡單、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、應用前景廣的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，國內外關于該系統(tǒng)的系統(tǒng)研究很少。本課題的研究成果對碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)研究有重要的學術價值，對碟式斯特林太陽能發(fā)電技術的試驗示范和推