38kW碟式太阳能斯特林热机腔式吸热器参数设计及热损失模拟

摘要

光热转换效率是碟式太阳能斯特林光热发电系统的重要指标，而斯特林热机的热损失是影响其光热转换效率的关键。腔式吸热器是斯特林热机的重要组成部分，在光热转换中起着主导作用，但吸热器存在着多种热损失且热损失机理复杂，计算难度大，是吸热器设计研究的重点和难点。本文对38kW碟式太阳能斯特林热机的热损失机理进行了分析，设计了其吸热器结构及参数，对热损失规律进行了数值计算，具体的内容包括：
　　(1)分析了碟式太阳能斯特林热机工作原理，为38kW碟式太阳能斯特林热机设计了一种新型吸热器的结构及腔式吸热器、热管、反射锥和保温层等组成部分的特点，选择了一种保温效果较好的腔式吸热器结构并进行了38kW碟式太阳能斯特林热机腔式吸热器开口直径A1、吸热管的长度L2、吸热腔的平均直径D3等参数的设计计算，并对所设计参数进行了验证，分别得到了A1=400mm，L2=190mm，D3=650mm。
　　(2)对斯特林热机腔式吸热器的对流热损失、辐射热损失和导热损失等进行了分析。建立了腔式吸热器的物理模型及热损失数学模型，基于Fluent软件平台，在考虑空气的变物性参数的基础上，对吸热器热损失特性进行了数值模拟。主要分析了自然对流下吸热器腔体倾角和热流密度对热损失的影响规律，强迫对流下风速、风向角、腔体倾角和热流密度对热损失的影响规律。
　　(3)针对太阳能时间分布不稳定性和空间分布不均匀性的特征，选择夏至日和冬至日不同时间点的高度角和辐射值分布情况，在Fluent中研究了自然对流情况下一个高度角循环周期中腔式吸热器的热损失规律，并实验验证了碟式太阳能发电系统的效率达到了29％，即吸热器的设计合理。
　　研究结果表明：在自然对流情况下，腔式吸热器的倾角增大，辐射热损失Nuc增大，辐射热损失Nur的变化较小，随着热流密度的增大，对流热损失Nuc和辐射热损失Nur都增大；在强迫对流下，热损失还要受到热流密度、腔体倾角、风速、风向角的综合影响，变化规律较为复杂，在腔式吸热器的倾角为90°时，对流热损失Nuc和辐射热损失Nur主要受风速的影响，随着风速的增加，对流努塞尔数Nuc随之增加，风速越大，增加的幅度越小，而辐射努塞尔数Nur随之减小。一个高度角循环周期中，在同一时间，夏至日的辐射值和高度角比于冬至日的高，每个时刻的高度角和辐射值都是变化的。在实际碟式太阳能斯特林热机工作运行时，应该在保证能够正常发电的情况下使吸热器较低的热流密度较高的高度角条件下工作，可以有效的降低降低热损失。本文的研究丰富了对吸热器热损失的研究，为吸热器的设计提供了一定的理论基础。

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第一章 绪论

1.1课题研究背景与意义

1.2碟式太阳能斯特林热发电系统及斯特林热机概述

1.3 相关问题的研究现状

1.4课题来源与本文主要研究内容

1.5 本章小结

第二章 斯特林热机工作原理及吸热器参数设计

2.1斯特林热机工作原理

2.2热损失机理

2.3吸热器的结构组成

2.4吸热器的结构与参数设计

2.5 本章小结

第三章 吸热器物理数学建模

3.1物理模型及相关假设

3.2热损失相关方程

3.3数值计算方法及网格划分

3.4本章小结

第四章 自然对流和强迫对流下吸热器的热损失模拟

4.1自然对流下吸热器的热损失模拟

4.2强迫对流下吸热器的热性能模拟

4.3本章小结

第五章 一个高度角循环周期吸热器的热性能模拟

5.1一个高度角循环周期中太阳热辐射模型

5.2太阳辐射模型实例计算

5.3热性能分析

5.4 现场试验及分析

5.5.本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2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