斯特林发动机及碟式太阳能热发电系统的模拟和优化

论文摘要

在环境污染和能源形势日趋严峻的背景下,开发太阳能等可再生能源成为人类迫切的需要。碟式太阳能热发电技术是太阳能热利用中最有潜力的技术,具有广阔的发展前景。本文以四缸双作用斯特林发动机为研究重点,首先阐述了模拟斯特林发动机的施密特分析法,进而分析了四缸双作用斯特林发动机工作过程中存在的各种流动阻力损失和热量损失,建立了适用于模拟四缸双作用斯特林发动机性能的模型。通过与实验数据的对比,模型计算的结果与实验结果较为吻合,模型可以用来估计发动机的工作情况。论文以建立的模型为目标函数、以具体实际情况为约束条件建立了发动机参数最优化模型,应用拟牛顿法和惩罚函数法实现了对最优化模型的求解。在此基础上,本文设计了输出功率从5kW到25kW的四缸双作用斯特林发动机,并对发动机的结构参数进行了优化。着重对25kW斯特林发动机从工况、工质和换热器参数等方面进行了性能分析。分析结果表明:在工况影响方面,提高发动机加热器壁面温度和发动机平均循环压力可以提高发动机的效率,而提高发动机的转速和平均循环压力可以提高发动机的功率;在工质影响方面,氢气的效果是最好的,氦气次之,空气的效果最差;在各换热器影响方面,分析得到了加热器的管数、长度、内径,冷却器的管数、长度、内径和回热器的个数、丝线直径、长度、内径等参数变化对发动机的功率和效率的影响规律。最后,本文分析了碟式太阳能热发电系统中的聚光器和吸热器,建立了碟式太阳能热发电系统完整的模型,设计了一台额定输出功率为25千瓦的碟式太阳能热发电系统,碟式聚光器的直径为11.9102米,系统的功率为28.77%。对系统的动态性能模拟结果表明:只有太阳直射强度高于474.4471W/m2时系统才能启动,系统的工作时间在8:00到16:10,系统在11:00至13:00时间范围内输出功率为25kW左右,输出效率高于28.5%,系统工作的平均效率达到了25.2823%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 物理量名称及符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.1.1 能源现状及存在的问题
• 1.1.2 太阳能的利用
• 1.1.3 太阳能热发电技术是最有前途的可再生能源发电方式
• 1.2 碟式太阳能热发电系统
• 1.2.1 碟式太阳能热发电系统的工作原理
• 1.2.2 碟式太阳能热发电系统的发展现状
• 1.3 斯特林发动机的工作原理及国内外发展现状
• 1.3.1 斯特林发动机的工作原理
• 1.3.2 斯特林发动机国内外发展现状
• 1.4 本课题主要研究内容
• 第2章 四缸双作用斯特林发动机性能模拟优化方法
• 2.1 施密特分析法
• 2.1.1 施密特分析法的主要假设
• 2.1.2 施密特分析法分析计算过程
• 2.2 马提尼的等温分析法
• 2.2.1 流动阻力损失
• 2.2.2 热量损失
• 2.2.3 发动机性能参数的计算
• 2.2.4 冷热腔温度的计算方法
• 2.2.5 模拟程序的流程图
• 2.2.6 性能模拟程序的有效性
• 2.3 斯特林发动机的参数优化方法
• 2.3.1 发动机的主要优化参数
• 2.3.2 发动机参数优化的数学模型
• 2.3.3 最优化问题的数学求解方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 斯特林发动机参数优化及性能模拟
• 3.1 斯特林发动机的初步设计
• 3.2 斯特林发动机优化设计结果
• 3.2.1 25kW斯特林发动机的优化结果
• 3.2.2 对其他功率发动机的优化结果
• 3.3 25kW斯特林发动机性能分析
• 3.3.1 发动机在额定工况下参数变化规律
• 3.3.2 工况对发动机性能的影响
• 3.3.3 工质对发动机性能的影响
• 3.3.4 换热器对发动机性能的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 碟式太阳能热发电系统性能分析
• 4.1 聚光器－吸热器性能分析
• 4.1.1 碟式聚光器性能分析
• 4.1.2 吸热器吸收能量分析
• 4.1.3 聚光器－吸热器性能的计算
• 4.2 太阳能直射强度的确定
• 4.3 聚光器－吸热器设备的设计
• 4.4 额定工况下系统的性能
• 4.5 系统瞬时性能分析
• 4.5.1 系统性能计算方法
• 4.5.2 系统启动强度与工作时间
• 4.5.3 系统性能分析
• 4.6 本章小结
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的论文
• 致谢