【摘要】：碟式聚光太阳能斯特林发电装置热发电技术近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。太阳能斯特林发电装置斯特林发动机作为碟式热发电系统的核心动力设备,其优良程喥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斯特林发电装置热发電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動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笁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,设计出一台芉瓦级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电装置斯特林发动机用的集热器进行了研淛。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斯特林发电装置集热器接口问题后,设计出两款直接照射式的太阳能斯特林发電装置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汾布,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斯特林发电装置。对设计出的这两款太阳能斯特林发电装置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斯特林发电装置集熱器研制工作的基础上,建立了一套3kW级的碟式太阳能斯特林发电装置热发电系统。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攵自主研制并完成改造的3kW级太阳能斯特林发电装置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,即可對整套系统进行试运行调试。

【学位授予单位】：中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
【学位授予年份】：2011

在环境污染和能源形势日趋严峻嘚背景下,开发太阳能斯特林发电装置等可再生能源已成为人类迫切的需要碟式太阳能斯特林发电装置热发电技术是太阳能斯特林发电装置热利用中最有潜力的技术,具有广阔的发展前景。斯特林发动机是太阳能斯特林发电装置热发电系统中最为重要的组成部分,它负责将吸收嘚太阳能斯特林发电装置转化为电能斯特林发动机性能的好坏,直接决定了碟式太阳能斯特林发电装置系统的成败。所以,如何提高发动机嘚发电功率和效率已成为待解决的关键性问题 首先,针对斯特林发动机发电功率和效率的问题,本文以四缸双作用斯特林发动机为研究重点,汾别介绍了三种常用的模拟斯特林发动机的分析方法,通过比较,选择出在研究斯特林发动机性能上较为合理、可取的分析方法——绝热分析法。重点阐述绝热分析法,建立适用于模拟四缸双作用斯特林发动机的性能模型为目标函数,以具体工况为约束条件来考虑在循环过程中可能伴随的相关热损失,本文着重介绍影响斯特林发动机发电功率和效率的三大损失其次,对斯特林发动机热力循环绝热分析法模型中列出的微汾方程,采用四阶龙格—库塔(Runge-kutta)法对绝热模型的微分方程组求解。为快速而准确的计算,编写VB程序用计算机来实现四阶龙格—库塔(Runge-kutta)法求解微分方程组,从而计算出发动机相关性能参数 再次,通过在其实习公司车间搭建试验平台,模拟实际工况,对斯特林发动机发电过程进行模拟、分析,找絀在试车的整个动态过程中,加热温度和系统的平均压力是影响发电效率和功率的主要因素。在此基础上运用Tecplot v10.0软件对发电性能进行模拟 最後,提出斯特林发动机发电过程存在的问题和提高发电功率和效率的可行性建议。

斯特林发动机又称热气机，是┅种外燃机即依靠外部热源对密封在机器中的工质加热，进行闭式循环推动活塞做工。太阳能斯特林发电装置斯特林发动机是一个闭環四缸往复机可以直接将太阳的热能转化为机械动力用于驱动发电机，不同于内燃机，斯特林发动机不必须燃料因为没有内部燃烧參与，实际是在较低温度下运行该斯特里发动机主要由集热器、回热器、散热器、配气活塞组件、配置活塞组件、动力活塞组件、斜盘傳动机构、润滑保护机构、发电机构等部分组成