碟式太阳能热发电系统高效聚能影响因素研究

摘要

碟式太阳能热发电系统作为一种高效的太阳能热利用方式，系统的聚能效果将直接决定斯特林机的发电效率。为了找出影响系统高效聚能的主要影响因素，本文对其工作原理以及系统内部光能传输路径进行了分析，发现影响系统高效聚能的因素主要有碟式机架、双轴跟踪装置以及吸热器二次反射锥。其中，机架作为整个系统的支撑部件，是实现聚光器反射镜面几何“保型”和吸热器空间位置“固定”的载体，自重及风载作用可能引起机架产生形变，使得反射镜面偏离其理想位置，影响系统的聚能效果；双轴跟踪装置是实现聚光器精准指向太阳不可或缺的模块，实际制造以及安装过程中的误差将直接反映到系统的跟踪精度，降低聚能效果；而反射锥是吸热器表面能流合理分配的基础，通过利用反射锥，可将未利用的光能重新分配并加以利用，改善聚能效果。
　　基于以上分析，本文以38kW级碟式太阳能热发电系统为研究对象，通过采取理论分析与实际测量相结合的方法，对影响系统聚能的各项因素进行了定量研究，分析了这3种因素对高效聚能的影响趋势及各自原因。具体研究内容包括：
　　首先，对太阳能斯特林热机腔式吸热器的结构特点进行分析，建立了以二次反射锥结构参数为变量的腔式吸热器性能参数模型，以项目所用太阳能斯特林热机为研究对象，基于Tracepro光学仿真软件平台，采用蒙特卡洛光线追迹法模拟分析了不同的二次反射锥结构对腔式吸热器表面能流等性能参数的影响。研究表明：吸热器内安装二次反射锥能大幅度的提高吸热器表面的光能利用率，同时对改善吸热器表面能流分布均匀性效果明显。
　　其次，对影响因素中的双轴跟踪装置误差展开研究，发现轴线偏差为双轴跟踪装置误差的主要来源，进而分析了轴线偏差的主要类型，同时，考虑到碟式太阳能热发电系统中双轴跟踪装置轴线测量的需要，提出了一种基于全站仪的双轴跟踪装置轴线测量方法，最后，对研发的38kW碟式太阳能系统双轴跟踪装置轴线进行测量，并分析了轴线偏差对聚能效果的影响。测量结果显示：该系统双轴跟踪装置轴线偏差类型为俯仰轴与方位轴不正交，偏差为0.682°，且吸热器表面光斑分布随着高度角的增大逐渐偏离中心位置。
　　最后，针对38kW碟式太阳能热发电系统机架结构，采用ANSYS软件平台，对不同工况下，自重及风荷引起的机架变形进行分析，并提取了机架上众多关键节点位移分布情况。利用公式推导了机架变形对焦平面光斑分布的影响，最后，提出一种机架承载变形测量方法，通过利用TS30全站仪测量固定在机架上的众多棱镜点的空间坐标，可获得机架在自重及风载荷作用下的变形量，为机架结构变形现场测量以及机架结构优化提供参考。

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第一章 绪 论

1.1研究背景与目的

1.2相关问题研究现状

1.3课题来源及本文的主要工作

第二章 腔式吸热器反射锥对碟式太阳能热发电系统高效聚能影响分析

2.1引言

2.2具有二次反射锥的腔式吸热器结构与原理分析

2.3二次反射锥与吸热器结构关系模型

2.4热腔能流密度分布仿真

2.5光线追迹及结果分析

2.6本章小结

第三章 双轴跟踪装置轴线偏差对碟式太阳能热发电系统高效聚能影响分析

3.1引言

3.2双轴跟踪装置轴线偏差分析

3.3全站仪测量系统

3.4双轴跟踪装置空间轴线

3.5轴线测量方法

3.6轴线现场测量及结果分析

3.7双轴跟踪装置轴线偏差对系统高效聚能的影响

3.8本章小结

第四章 机架形变对碟式太阳能热发电系统高效聚能影响分析

4.1引言

4.2机架结构概述

4.3碟式太阳能热发电系统机架形变分析

4.4机架形变对系统高效聚能的影响

4.5机架多工位的承载变形测量方法

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1研究结论

5.2未来工作展望

参考文献

致谢

附录A：攻读学位期间参研项目和发表论文目录

一 参加的科研项目

二 发表学术论文