太阳能斯特林发电机模型

太阳能斯特林发动机应用于碟式太阳能热发电系统,由太阳能斯特林发动机和太阳能聚光器组成。以太阳能为热源,通过一系列热电转换装置将光能转化为电能。在石化能源短缺和环境污染问题日益严重的今天,太阳能斯特林发动机的研发和应用具有重要意义。

根据Martini [1]的命名规则,斯特林循环的分析方法可分为零阶分析法、一阶分析法、二阶分析法、三阶分析法、阶次分析法和四级分析有5种类型。

零阶分析法不分析斯特林循环,而是根据斯特林发动机的实验结果引入经验因素,总结实际功率和效率的差异斯特林发动机。经验关系。该方法简单实用,一般可用于定性分析,但不适用于斯特林发动机的优化设计。

一阶分析法是考虑斯特林循环的最基本的分析方法。这种方法主要假设热腔和冷腔中工作流体的循环温度是恒定的,因此也称为等温分析。法律。由于一阶分析法的等温假设过于理想,不符合实际情况,分析结果存在较大的理论误差,一般仅用于定性分析。

二级分析法假定热腔和冷腔中的工作流体温度在循环过程中发生变化。因此,基于二级分析法的数学模型一般是常微分方程组,可以结合理想气体状态方程和边界条件进行数值求解。最常用的二次分析方法是绝热分析。与一级分析方法相比,二级分析方法更接近现实,具有更重要的应用价值[3]。

三级分析法也称为节点分析法,它对工作流体作一维流动假设,利用质量、偏微分方程对描述了动量和能量守恒。三级分析法解决了一级分析法和二级分析法的空间误差问题,得到了广泛的应用和发展。

四级分析法又称多维CFD分析法,是在三级分析法的基础上,将维数增加到二维甚至三维维,其计算过程极其复杂,往往需要商业CFD软件。多维CFD分析已成功应用于内燃机和燃气轮机的设计,但在斯特林发动机上的应用还远未完善。四水平分析法的精度比较高。作为研发重点,随着各种辅助工具的不断完善,四级分析法最终将成为斯特林循环的主要分析方法。

接收器是太阳能斯特林发动机独特的核心部件,包括直接照射和间接加热。前者是将太阳光直接集中在斯特林发动机的换热管上;后者通过中间介质将太阳能传输到斯特林发动机。

太阳光直接照射换热管是太阳能斯特林发动机最早采用的太阳能接收方式。图1中的直接照射接收器是将斯特林发动机的换热管簇弯曲组合成圆盘状,集中的太阳光直接照射到圆盘表面(即各换热管表面),换热管内的工质高速流动,吸收太阳辐射的能量,达到较高的温度和压力,从而促进斯特林发动机的运转。由于太阳辐射强度的明显不稳定性和冷凝器本身可能的处理精度,换热管上的热流密度明显不稳定和不均匀,这使得发动机中的多缸斯特林发动机。气缸温度和供热的平衡难以解决。

间接受热式受热器是根据液态金属相变的热性能机理,通过液态金属的蒸发和冷凝将热量传递给斯特林发动机的受热器。间接热接收器具有更好的等温性能,延长了斯特林发动机加热头的寿命,同时提高了发动机的效率。在设计接收器时,可以单独优化每个热交换表面。间接加热接收器包括池沸腾接收器、热管接收器和混合热管接收器。

池沸腾接收器通过太阳能集中在吸热面上加热液态金属池,产生的蒸汽在斯特林发动机的换热管上冷凝,从而将热量传递给换热器。管内工质和冷凝液在重力作用下返回液态金属池,完成一个热质循环。该池沸接收器结构简单,处理成本低,适应性强。适合在大倾角范围内操作。金属蒸汽在热机的换热管中直接冷凝,效率高,但工质的填充量比较高。大,一旦发生泄漏,将非常危险。

热管接收器采用毛细管芯结构,将液态金属均匀分布在受热面上。图2为美国Thermalcore公司设计制造的热管接收器。受热面一般加工成圆顶状,其上设有液芯,使液态金属均匀分布在换热面上。灯芯结构可以有多种形式,如不锈钢丝网、金属毡等。分布在吸收芯中的液态金属吸收太阳能并产生蒸汽。蒸汽通过斯特林发动机的换热管将热量传递给管内的工质,蒸汽冷凝后的冷凝水因重力作用返回换热管。表面。由于液态金属始终处于饱和状态,因此接收器内的温度始终保持一致,热应力降至最低。

太阳能热发电系统要想持续稳定发电,就必须考虑日照不足或夜间运行时的能量补充问题。解决方案包括储热和燃烧。在碟式太阳能热发电系统中,常采用燃料燃烧来补充能量,即在原有的接收器上增加燃烧系统。混合式热管接收器是由热管接收器改造而成,并辅以气体燃料的接收器。 DLR 开发了第二代混合热管接收器(图 3),其设计工作温度为~°C,设计功率为太阳能热发电系统,实现连续供电。但是由于增加了燃烧系统,结构变得非常复杂,制造难度大大增加,成本也大大增加。一个不容忽视的问题。总结太阳能斯特林发动机的关键技术,得出以下结论:

(1)分析方法主要是模拟实际的斯特林循环。目前,二次分析在国际上应用更为广泛,虽然基于这两种分析方法建立的模型考虑到了斯特林发动机各部分状态参数的变化,但与实际工作过程仍有很大差异。因此,精度相对较高的四能级分析方法,建立更接近实际的CFD模型,将成为斯特林循环的主要分析方法。

(2)直接辐照接收器结构简单,加工容易,成本低,但换热管内工作流体的温度难以平衡,会显着降低热源的运行效率和稳定性引擎;池沸腾接收器是由于换热管。与金属蒸汽直接换热,温度均匀性好,运行效率高,但传热机理研究相对欠缺,很多传热问题还没有真正解决。液态金属填充量减少到少量,同时由于高温热管研究数据丰富,也给设计带来了极大的便利,运行可靠性高;混合热管接收器可以满足系统连续运行的需要,但由于结构复杂、成本高,在设计、制造和实际运行中仍存在许多亟待研究的问题。随着研发的不断深入,热管接收器和混合热管接收器将成为未来解决碟式太阳能热发电热能接收的主要解决方案。

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