碟式聚光太阳能热发电系统用斯特林发动机的研制

【摘要】：碟式聚光太阳能热发电技术近30年在国际上取得了长足的发展。碟式热发电系统由于具有光电转换效率高,使用灵活等优点,在可再生能源及分布式供能技术受到日益重视的今天,正引起越来越多的关注。太阳能斯特林发动机作为碟式热发电系统的核心动力设备,其优良程度直接决定整个系统的发电性能。 本文首先简要叙述了斯特林发动机及其碟式热发电系统中的关键技术,然后对近年来国内外在碟式热发电技术领域取得的重要技术进展进行综述,并浅析了碟式热发电技术在中国的发展前景。 本文的主要工作是对碟式太阳能热发电系统用斯特林发动机进行自主研制。首先从现有的斯特林发动机分析与设计方法着手研究,分析其各自的优点及局限性；然后引入一些斯特林发动机机型的实验测试数据,对经典的施密特分析法进行修正,发展出一套能够较为准确的预测斯特林发动机实际运转时热力性能的设计方法；另外,从质量、动量、能量守恒方程组出发,结合一系列动力学相关方程,并考虑到负载的启动特性,建立了一套分析斯特林机内部工质流动换热及热功转换过程的方法。该方法充分考虑到斯特林发动机从启动前预热过程到启动瞬时过程再到稳定运转过程的各个阶段中机器的工作特点。对斯特林发动机在实际工作过程中产生的主要损失因素进行了简要的定性分析。 运用经过作者改进的施密特分析法,设计出一台千瓦级β型单缸斯特林发动机。该机的机械传动部分设计为菱形传动机构。建立了一套测试该机动力性能的实验平台并进行了实验。实验中使用一台汽油发动机在空载运行时排放的中高温废气作为热源驱动该斯特林机,用测功机测得该机的输出轴功率及扭矩随转速变化的特性关系。实验中该斯特林机的输出功率达到了3476W,对应的转速为1248RPM。实验中还研究了该斯特林机换热器系统中工质压力的变化特性,发现采集到的三个位置处工质的压力值呈同一正弦规律的周期性变化,这与采用施密特分析法计算得出的压力结果具有一致性；且三处压力变化曲线之间的相位差几乎为0。通过对压力的实验数据研究还发现,回热器两侧的压差是冷却器两端压差的两倍多；该结果也表明,采用叠网式多孔结构的回热器是造成斯特林机换热器系统内工质压力损失的主要原因。 对碟式热发电系统中太阳能斯特林发动机用的集热器进行了研制。在充分分析碟式抛物面聚光镜的几何特性及存在的太阳能集热器接口问题后,设计出两款直接照射式的太阳能集热器。其中一款为采用U形夹层通道对工质进行加热的腔式集热器,数值仿真结果显示,它在工作过程中能够具有较均匀的壁面温度场分布,从而能够避免较大热应力的产生；设计出的另一款集热器以渐开线形状的吸热器管为特征,能够在有限的空间里高效率的接收太阳能。对设计出的这两款太阳能集热器分别做了试制工作。 在本文对斯特林发动机及其太阳能集热器研制工作的基础上,建立了一套3kW级的碟式太阳能热发电系统。该系统具有开口直径为5m的碟式聚光镜,其焦点位置安装有本文自主研制并完成改造的3kW级太阳能斯特林发动机。已经初步完成了该系统的搭建,待负载系统以及控制系统加装完成后,即可对整套系统进行试运行调试。 【关键词】：碟式太阳能热发电 斯特林发动机 太阳能集热器 自主研制 性能测试
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TK401;TM615
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 主要符号表12-17
• 第1章 绪论17-41
• 1.1 课题的背景及意义17-21
• 1.1.1 斯特林发动机17-18
• 1.1.2 碟式聚光太阳能热发电系统及其关键技术18-21
• 1.2 国内外太阳能斯特林机及其碟式热发电技术的发展现状21-35
• 1.2.1 国际上太阳能斯特林机及其碟式热发电系统技术现状21-32
• 1.2.2 国内斯特林机及其碟式太阳能热发电系统发展现状32-35
• 1.3 常见的太阳能发电形式技术性对比浅析35-36
• 1.4 碟式太阳能热发电技术在中国的发展前景浅析36-38
• 1.5 本文工作的必要性、研究目标和主要内容38-41
• 1.5.1 本文工作的必要性38
• 1.5.2 研究目标和主要内容38-41
• 第2章 斯特林机的热力分析理论与设计方法研究41-64
• 2.1 斯特林机分析方法的发展现状41-47
• 2.1.1 对斯特林机实际循环的再认识41-45
• 2.1.2 施密特分析法概况45
• 2.1.3 等温分析法和绝热分析法概况45-46
• 2.1.4 节点分析法概况46-47
• 2.1.5 结合商业CFD软件的仿真计算分析法47
• 2.2 基于改进的施密特分析法对斯特林机进行热力分析与设计47-54
• 2.2.1 假设条件48-49
• 2.2.2 斜盘及其活塞连杆机构运动分析49-50
• 2.2.3 斯特林机的热力分析与设计过程50-52
• 2.2.4 斯特林机理想指示功率的修正52-54
• 2.3 基于质量、动量、能量守恒方程组对斯特林机进行热力分析与设计54-61
• 2.3.1 描述斯特林机内部工质流动换热及热功转换控制方程组的建立55-56
• 2.3.2 斯特林机在不同状态下控制方程组定解条件的讨论56-61
• 2.4 造成斯特林机实际循环损失的因素分析61-62
• 2.5 本章小结62-64
• 第3章 一台千瓦级β型单缸斯特林机的设计64-78
• 3.1 菱形传动机构的设计与分析64-66
• 3.2 单缸β型斯特林机的总体热力设计66-75
• 3.3 关键部件的研制与整机装配75-77
• 3.4 本章小结77-78
• 第4章 千瓦级β型单缸斯特林机的实验测试研究78-88
• 4.1 实验测试平台的搭建78-82
• 4.1.1 废气换热室的设计79-80
• 4.1.2 实验测试系统设计80-82
• 4.2 实验测试流程82-84
• 4.3 实验测试数据分析84-86
• 4.3.1 温度数据分析84
• 4.3.2 压力数据分析84-86
• 4.3.3 输出动力特性数据分析86
• 4.4 本章小结86-88
• 第5章 碟式热发电系统中斯特林机用太阳能集热器的研制88-114
• 5.1 太阳能集热器的设计方法88-93
• 5.1.1 太阳能集热器与碟式抛物面聚光镜接口设计问题研究89-91
• 5.1.2 可用于太阳能集热器的两种热设计方法91-93
• 5.2 U形夹层通道太阳能腔式集热器的研制93-108
• 5.2.1 U形夹层通道太阳能腔式集热器的结构设计94-98
• 5.2.2 U形夹层通道太阳能腔式集热器的性能仿真98-107
• 5.2.3 U形夹层通道太阳能腔式集热器的试制107-108
• 5.3 渐开线管式太阳能集热器的研制108-112
• 5.3.1 渐开线管式太阳能集热器的结构设计108-111
• 5.3.2 渐开线管式太阳能集热器的试制111-112
• 5.4 本章小结112-114
• 第6章 碟式太阳能热发电系统的初步建立114-118
• 6.1 碟式太阳能热发电系统用β型斯特林机的改造114-116
• 6.2 碟式太阳能热发电系统的初步建立116-117
• 6.3 本章小结117-118
• 第7章 结论与展望118-122
• 7.1 本文结论118-120
• 7.2 本文的主要创新点120
• 7.3 未来工作展望120-122
• 参考文献122-129
• 攻读博士学位期间发表论文与申请专利的目录129-131
• 致谢131-132

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

太阳能热发电技术    张耀明;

冉冉升起的大型太阳能发电厂    Paul Sharke;

CFD通用软件综述    姚征,陈康民

Stirling 发动机燃烧及换热分析    沈建平,金东寒,顾根香

自由活塞式热气机发电技术在世界上的发展    朱辰元;

斯特林循环分析法的发展及1kW_e斯特林机二级简化分析    杨泰蓉;叶宏;王军;Tursunbaev I A;

对我国发展太阳能热发电的一点看法    王亦楠;

日光温室采光与下挖深度优化设计    李霞;于贤昌;艾希珍;李清明;

户用PV系统设计    牟志平;

太阳能地板辐射采暖系统的应用研究    贺立三;刘振波;高林朝;高艳军;

云南省昆明市高校太阳能热水系统的研究    韩雷涛;谢建;苏庆益;

湖水源热泵系统温排水数学模型研究及应用    黄向阳;周健;姜文超;刘轶;

乳化液槽内流场和温度场的数值模拟及优化    彭兴东;胡林;王文兴;赵红阳;房荣友;

碳对Ni-Cr-Co基合γ′相的影响    李玉清,汪慈榕,顾兆丰

INCONEL718高温合金的发展    董建新

镦粗工艺对GH4169合金φ508锭铸态组织的影响    郁蕾芸;卢俊;

粘结层中的Co对热障涂层界面结合因子的影响    李志林,吴远启

太阳能空气集热器传热性能实验研究    魏琪;赵俊;

冷拔变形对GH3625合金组织和性能的影响    王志刚;杨玉军;田水仙;杨晓利;张鹏;任辉;

气力集排式油菜精量排种器气流场仿真分析    张猛;余佳佳;廖庆喜;

槽式太阳能集热发电系统发展状况    张同伟;

不同焊后热处理制度对GH2909合金焊接接头组织与力学性能影响分析    赵海涛;魏友辉;周水亮;

GH4169线性摩擦焊初步试验研究    陈曦;马铁军;李文亚;张勇;杨思乾;

太阳能环保游船    王璐;籁斌贤;王宗耀;王建明;

新型耐高温氯硫介质腐蚀3YC53合金研究    黄国平;王东亚;

终端能量梯级效能研究与发电照明技术应用    祝传福;

太阳能在牧草干燥中的应用研究    宋莎莎;黄净洁;李粤;

船体与节能附体及螺旋桨的非定常干扰研究    沈海龙

甘肃河西大麦麦芽干燥控制系统研究    高晓阳

光伏跟踪系统智能控制方法的研究    徐晓冰

纳米流体辐射特性机理研究及其在太阳能电热联用系统中的应用研究    赵佳飞

不同取向单晶镍基合金蠕变期间的组织演化与有限元分析    张姝

反型聚合物太阳能电池的研究    李福民

絮凝酵母在悬浮床反应器流变与流动行为研究    俞路

Co、Zr、Cu在K4169合金中作用的研究    李亚敏

碟式斯特林太阳热发电系统太阳模拟器的设计与实验研究    杜景龙

高效切削粉末冶金高温合金的加工性研究    乔阳

塞流式厌氧发酵反应器物料流场的CFD模拟    张战锋

山区风特性参数与自锚式悬索桥的静风稳定性研究    王珺

河南太阳能热水器与住宅一体化设计研究    刘磊

基于ANSYS的离心压缩机主要零件建模和受力分析    谷骁勇

某16V型柴油机相继增压性能分析    李琦

LED彩色打印机内部温度场的数值计算    崔广云

单级离心式压缩机内部流场分析与结构优化    唐美玲

太阳能果蔬脱水车间性能试验及苹果脱水工艺优化研究    高兴海

太阳能供暖系统的模拟研究    安丽

陶瓷刀具干切削Inconel718实验研究及刀具磨损的离散元模拟    段正君

太阳能斯特林发动机的性能模拟    黄护林

1kWα型斯特林发动机的改造及性能测试    杨泰蓉;叶宏;王军;I．A．Tursunbaev;程晓舫;

太阳能斯特林发动机的现状和发展    陈幼松;

斯特林发动机天然气扩散燃烧的数值分析和试验    汪海贵,朱辰元,薛飞,刘京,阎珽

消息报导    

第二届国际斯特林发动机会议在上海举行    王云祥;

斯特林发动机在水下用从海水中提取的氧工作的可能性    郭自强

太阳能斯特林发动机    德松;

斯特林发动机简介    郭廷杰;

船用斯特林发动机    张应朝

斯特林发动机热腔壁的绝热层特性研究    李梅林，郭文军

双作用斯特林发动机循环均匀性研究    顾根香,王芝秋

模糊专家系统在斯特林发动机故障诊断上的应用    蔡勇;王晓武;

基于LabVIEW的斯特林发动机实验数据采集系统设计    李昊;伍耐明;董金钟;

基于瞬时转速的斯特林发动机循环系统故障诊断研究    蔡勇;王晓武;潘卫明;

小型蝶式太阳能斯特林发动机回热器的流阻分析    郭永飞;陈曦;张华;庞常伟;刘颖;

斯特林型热声驱动器的实验研究    金滔;陈国邦;M.X.Francois;E.Bretagne;

热声制冷技术的研究前沿及进展    戴巍;

中国北方太阳能集热器发展探讨    边志敏;杨桂元;

太阳能热利用技术在建筑中的应用与研究    孔祥强;李瑛;杨前明;

微型斯特林制冷机技术研究    黄晖;陈晓屏;李娟;陈军;朱继航;赵杰;蔡毅;

浅议民用建筑太阳能热水系统应用技术    曹杨;

高新区又有4位海归入选国家“千人计划”    高新区(滨江)报道组 余小平　宋桔丽 记者 刘伟 通讯员 张炬刚

在未来住宅能源中唱主角    本报驻巴黎记者李红

碟式太阳能热发电技术值得期待    燕山大学车辆与能源学院 关雪梅　安巍

海底新“黑洞”    李杰

昌黎16个项目集中开工    记者 张宝林 通讯员 王志勇 刘艳丽

“水下幽灵”新世纪海底总动员    

北京将在建筑中应用三十万平方米太阳能集热器    张定友

亚太刮起AIP潜艇风    本报专稿 何适

我区建成首个太阳能集热器检测平台    记者 马疆虎

沃夫拉姆与卡门２１世纪的牛顿与爱迪生    史蒂芬 ·里比

碟式聚光太阳能热发电系统用斯特林发动机的研制    李铁

1kW斯特林发动机的实验研究及热力学分析    杨泰蓉

采用天然气的小型斯特林冷热电三联供关键技术研究和应用分析    汪海贵

采用腔体吸收器的线聚焦太阳能集热器的理论及实验研究    翟辉

使用多层光学介质薄膜滤光的聚光太阳能发电技术的理论与实验研究    寿春晖

地源热泵与太阳能集热器联合供暖系统研究及仿真分析    吴晓寒

碟式斯特林太阳热发电系统太阳模拟器的设计与实验研究    杜景龙

复合式热泵供热系统的耦合特性研究    刘逸

严寒地区太阳能-土壤耦合热泵季节性土壤蓄热特性研究    张文雍

严寒地区太阳能—土壤耦合热泵季节性土壤蓄热特性研究    张文雍

双作用式斯特林发动机系统的设计与优化    吴月

小型斯特林发动机的研制与试验    李明

斯特林发动机可视化喷雾及燃烧实验研究    刘涛涛

生物质直燃斯特林发动机设计与仿真分析    张旭

基于嵌入式技术的斯特林发动机燃油电控系统设计与仿真    赵凯宾

斯特林发动机活塞杆密封结构与材料研究    高贵

斯特林机菱形机构结构优化与刚柔耦合动力学仿真    陈远大

斯特林发动机杆密封装置性能与密封件摩擦学研究    雷振宁

斯特林发动机回热器特性数值模拟及实验研究    吴翠

斯特林发动机燃油系统控制装置的研究    谢春华