碟式聚光太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)用斯特林發(fā)動機的研制

【摘要】：碟式聚光太陽能熱發(fā)電技術(shù)近30年在國際上取得了長足的發(fā)展。碟式熱發(fā)電系統(tǒng)由于具有光電轉(zhuǎn)換效率高,使用靈活等優(yōu)點,在可再生能源及分布式供能技術(shù)受到日益重視的今天,正引起越來越多的關(guān)注。太陽能斯特林發(fā)動機作為碟式熱發(fā)電系統(tǒng)的核心動力設(shè)備,其優(yōu)良程度直接決定整個系統(tǒng)的發(fā)電性能。 本文首先簡要敘述了斯特林發(fā)動機及其碟式熱發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù),然后對近年來國內(nèi)外在碟式熱發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域取得的重要技術(shù)進展進行綜述,并淺析了碟式熱發(fā)電技術(shù)在中國的發(fā)展前景。 本文的主要工作是對碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)用斯特林發(fā)動機進行自主研制。首先從現(xiàn)有的斯特林發(fā)動機分析與設(shè)計方法著手研究,分析其各自的優(yōu)點及局限性；然后引入一些斯特林發(fā)動機機型的實驗測試數(shù)據(jù),對經(jīng)典的施密特分析法進行修正,發(fā)展出一套能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測斯特林發(fā)動機實際運轉(zhuǎn)時熱力性能的設(shè)計方法；另外,從質(zhì)量、動量、能量守恒方程組出發(fā),結(jié)合一系列動力學(xué)相關(guān)方程,并考慮到負載的啟動特性,建立了一套分析斯特林機內(nèi)部工質(zhì)流動換熱及熱功轉(zhuǎn)換過程的方法。該方法充分考慮到斯特林發(fā)動機從啟動前預(yù)熱過程到啟動瞬時過程再到穩(wěn)定運轉(zhuǎn)過程的各個階段中機器的工作特點。對斯特林發(fā)動機在實際工作過程中產(chǎn)生的主要損失因素進行了簡要的定性分析。 運用經(jīng)過作者改進的施密特分析法,設(shè)計出一臺千瓦級β型單缸斯特林發(fā)動機。該機的機械傳動部分設(shè)計為菱形傳動機構(gòu)。建立了一套測試該機動力性能的實驗平臺并進行了實驗。實驗中使用一臺汽油發(fā)動機在空載運行時排放的中高溫廢氣作為熱源驅(qū)動該斯特林機,用測功機測得該機的輸出軸功率及扭矩隨轉(zhuǎn)速變化的特性關(guān)系。實驗中該斯特林機的輸出功率達到了3476W,對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為1248RPM。實驗中還研究了該斯特林機換熱器系統(tǒng)中工質(zhì)壓力的變化特性,發(fā)現(xiàn)采集到的三個位置處工質(zhì)的壓力值呈同一正弦規(guī)律的周期性變化,這與采用施密特分析法計算得出的壓力結(jié)果具有一致性；且三處壓力變化曲線之間的相位差幾乎為0。通過對壓力的實驗數(shù)據(jù)研究還發(fā)現(xiàn),回?zé)崞鲀蓚?cè)的壓差是冷卻器兩端壓差的兩倍多；該結(jié)果也表明,采用疊網(wǎng)式多孔結(jié)構(gòu)的回?zé)崞魇窃斐伤固亓謾C換熱器系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)壓力損失的主要原因。 對碟式熱發(fā)電系統(tǒng)中太陽能斯特林發(fā)動機用的集熱器進行了研制。在充分分析碟式拋物面聚光鏡的幾何特性及存在的太陽能集熱器接口問題后,設(shè)計出兩款直接照射式的太陽能集熱器。其中一款為采用U形夾層通道對工質(zhì)進行加熱的腔式集熱器,數(shù)值仿真結(jié)果顯示,它在工作過程中能夠具有較均勻的壁面溫度場分布,從而能夠避免較大熱應(yīng)力的產(chǎn)生；設(shè)計出的另一款集熱器以漸開線形狀的吸熱器管為特征,能夠在有限的空間里高效率的接收太陽能。對設(shè)計出的這兩款太陽能集熱器分別做了試制工作。 在本文對斯特林發(fā)動機及其太陽能集熱器研制工作的基礎(chǔ)上,建立了一套3kW級的碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有開口直徑為5m的碟式聚光鏡,其焦點位置安裝有本文自主研制并完成改造的3kW級太陽能斯特林發(fā)動機。已經(jīng)初步完成了該系統(tǒng)的搭建,待負載系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)加裝完成后,即可對整套系統(tǒng)進行試運行調(diào)試。 【關(guān)鍵詞】：碟式太陽能熱發(fā)電 斯特林發(fā)動機 太陽能集熱器 自主研制 性能測試
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：TK401;TM615
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 主要符號表12-17
• 第1章 緒論17-41
• 1.1 課題的背景及意義17-21
• 1.1.1 斯特林發(fā)動機17-18
• 1.1.2 碟式聚光太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)18-21
• 1.2 國內(nèi)外太陽能斯特林機及其碟式熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀21-35
• 1.2.1 國際上太陽能斯特林機及其碟式熱發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀21-32
• 1.2.2 國內(nèi)斯特林機及其碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀32-35
• 1.3 常見的太陽能發(fā)電形式技術(shù)性對比淺析35-36
• 1.4 碟式太陽能熱發(fā)電技術(shù)在中國的發(fā)展前景淺析36-38
• 1.5 本文工作的必要性、研究目標(biāo)和主要內(nèi)容38-41
• 1.5.1 本文工作的必要性38
• 1.5.2 研究目標(biāo)和主要內(nèi)容38-41
• 第2章 斯特林機的熱力分析理論與設(shè)計方法研究41-64
• 2.1 斯特林機分析方法的發(fā)展現(xiàn)狀41-47
• 2.1.1 對斯特林機實際循環(huán)的再認識41-45
• 2.1.2 施密特分析法概況45
• 2.1.3 等溫分析法和絕熱分析法概況45-46
• 2.1.4 節(jié)點分析法概況46-47
• 2.1.5 結(jié)合商業(yè)CFD軟件的仿真計算分析法47
• 2.2 基于改進的施密特分析法對斯特林機進行熱力分析與設(shè)計47-54
• 2.2.1 假設(shè)條件48-49
• 2.2.2 斜盤及其活塞連桿機構(gòu)運動分析49-50
• 2.2.3 斯特林機的熱力分析與設(shè)計過程50-52
• 2.2.4 斯特林機理想指示功率的修正52-54
• 2.3 基于質(zhì)量、動量、能量守恒方程組對斯特林機進行熱力分析與設(shè)計54-61
• 2.3.1 描述斯特林機內(nèi)部工質(zhì)流動換熱及熱功轉(zhuǎn)換控制方程組的建立55-56
• 2.3.2 斯特林機在不同狀態(tài)下控制方程組定解條件的討論56-61
• 2.4 造成斯特林機實際循環(huán)損失的因素分析61-62
• 2.5 本章小結(jié)62-64
• 第3章 一臺千瓦級β型單缸斯特林機的設(shè)計64-78
• 3.1 菱形傳動機構(gòu)的設(shè)計與分析64-66
• 3.2 單缸β型斯特林機的總體熱力設(shè)計66-75
• 3.3 關(guān)鍵部件的研制與整機裝配75-77
• 3.4 本章小結(jié)77-78
• 第4章 千瓦級β型單缸斯特林機的實驗測試研究78-88
• 4.1 實驗測試平臺的搭建78-82
• 4.1.1 廢氣換熱室的設(shè)計79-80
• 4.1.2 實驗測試系統(tǒng)設(shè)計80-82
• 4.2 實驗測試流程82-84
• 4.3 實驗測試數(shù)據(jù)分析84-86
• 4.3.1 溫度數(shù)據(jù)分析84
• 4.3.2 壓力數(shù)據(jù)分析84-86
• 4.3.3 輸出動力特性數(shù)據(jù)分析86
• 4.4 本章小結(jié)86-88
• 第5章 碟式熱發(fā)電系統(tǒng)中斯特林機用太陽能集熱器的研制88-114
• 5.1 太陽能集熱器的設(shè)計方法88-93
• 5.1.1 太陽能集熱器與碟式拋物面聚光鏡接口設(shè)計問題研究89-91
• 5.1.2 可用于太陽能集熱器的兩種熱設(shè)計方法91-93
• 5.2 U形夾層通道太陽能腔式集熱器的研制93-108
• 5.2.1 U形夾層通道太陽能腔式集熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計94-98
• 5.2.2 U形夾層通道太陽能腔式集熱器的性能仿真98-107
• 5.2.3 U形夾層通道太陽能腔式集熱器的試制107-108
• 5.3 漸開線管式太陽能集熱器的研制108-112
• 5.3.1 漸開線管式太陽能集熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計108-111
• 5.3.2 漸開線管式太陽能集熱器的試制111-112
• 5.4 本章小結(jié)112-114
• 第6章 碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的初步建立114-118
• 6.1 碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)用β型斯特林機的改造114-116
• 6.2 碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的初步建立116-117
• 6.3 本章小結(jié)117-118
• 第7章 結(jié)論與展望118-122
• 7.1 本文結(jié)論118-120
• 7.2 本文的主要創(chuàng)新點120
• 7.3 未來工作展望120-122
• 參考文獻122-129
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文與申請專利的目錄129-131
• 致謝131-132

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