碟式斯特林太阳能热发电软件系统碟面阵列的最优布局方法

 

第1章 绪 论

 

1.1研究背景及意义

能源是向自然界提供能量转化的物质，是一个国家经济发展的强大动力，是人类活动的基础。能源消费结构是否均衡合理，会影响经济增长的速度，也会影响生态环境和人们的生活质量。在当今世界的能源结构中，人们所能利用的主要是石油、天然气和煤炭等化石能源[1]。在我国的能源消费结构中，煤炭占所消耗能源总量的 65％，石油占 25％，天然气占 7.9%[2]。然而，地球上的化石能源是不可再生的，随着人类无限制的开采，化石能源已日渐枯竭。依据目前化石能源的储量推算，石油可以维持34~44年，天然气还可维持54~64年，煤炭储量较多，约能维持 220 年[1]。同时，化石能源的大量开发和利用，造成了大气污染和其他类型的环境污染与生态破坏。如今能源危机和生态危机日益严重，开发对环境友好的新能源迫在眉睫。由于国际社会的高度关注，新型能源如太阳能、风能、地热能、核能等在世界能源结构中所占的比例越来越大。在众多新型能源中，因具有储量“无限性”、分布普遍性、清洁性等优点，太阳能成为各国能源战略关注的焦点[1,3,4]。太阳能的利用方式有很多，主要有太阳能发电、太阳能热利用和太阳能动力利用[5]。太阳能发电是太阳能利用中的重要形式，主要有两种途径：（1）利用某些光电材料实现的太阳能光伏发电；（2）利用太阳辐射光热效应的聚光热发电[6]。光伏发电系统可以将太阳辐射转化为直流电，而聚光热发电系统通过接收大面积的太阳辐射来使用其热效应。光伏发电站可靠性高、安装维护便利，具备很多优点[7]。但光伏电池发电成本大大高于热发电，且无法通过大型化大幅降低成本[1]。而聚光热发电系统具有发电效率高[8,9]、衰减小、制造过程对环境污染小、适用地域广和可以通过廉价的储热/补燃装置实现电站的无间断运行等优点[10]，受到人们的广泛关注。根据聚光方式的不同，聚光热发电系统主要分为槽式、塔式和碟式[11]。与其他两种系统相比，碟式太阳能热发电系统具有分布灵活、发电效率高（如表 1-1 所示[1]）、起步投资少、结构简单、成本较低及系统最优化潜力巨大等一系列优点，因而成为了人们研究的焦点[12-22]。斯特林发动机太阳能电力转换效率高（达 30%[23]）、运行平稳可靠、排气污染小、噪音低，在稳定连续的高温热源驱动下可持续输出轴功能，特别适合碟式太阳能热发电系统的动力装置。

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1.2国内外研究现状

碟式斯特林太阳能热发电技术利用聚光器聚集太阳辐射，并通过斯特林发动机将其转换为电能，光电转换效率较高[1]。但由于建设成本较高且经济效益相对较低，碟式斯特林太阳能热发电系统还未被广泛使用。而太阳能热发电系统的光电转换效率与斯特林发动机的性能、聚光碟面的精准度和系统所采取的分布式安装方式均息息相关。为了权衡系统的发电效率和建设成本以获得最佳收益，国内外的科学家对这些技术均进行了一系列的研究。斯特林发动机通过换热器将吸收的能量对工质进行加热，工质受热成为高温高压气体，保证发动机运转，实现热能与机械能的转换[24,25]。1816 年，罗伯特·斯特林（RobertStirling）发明了第一台斯特林发动机。但是由于当时没有性能合适的耐热材料，且加工工艺和制造水平有限，发动机的效率较低。之后，Koichi 建立斯特林发动机模型，在标准状态和无负载的情况下，用空气作为工质进行试验，得出结论: 提高换热器性能、降低机械损失可以提高斯特林发动机的性能[26]。杨泰蓉，叶宏等对 1kwα 型斯特林发动机建立了试验台并使用样机进行了实验系统的测试，结果表明：斯特林发动机的工质压力越高，发动机输出功率就越大；若要提高斯特林发动机的性能，就必须提高工质的循环压力[27]。在此基础上，飞利浦公司设计了一款 1-98 型斯特林发动机[28]，采用菱形传动机构，增强了发动机的动封闭性；同时选用氢气代替空气作为工质，增强了工质与换热器的热交换率，大大提高了发动机的效率。90 年代以来，由于一些发达国家如美国、荷兰等的政府部门和公司的支持，斯特林发动机的性能得到进一步的提高，生产成本不断降低，应用范围也逐步扩大。进入 21 世纪后，斯特林发动机逐渐应用于军事和民用等诸多领域，比如潜水艇、太阳能利用、生物发电等工业。其中最为广泛的是碟式太阳能发电，尤其是近些年，碟式太阳能发电技术得到了广泛的研究开发及应用[29-32]。SES 将 Kockums 公司的 4-95 型动态斯特林发动机技术和麦道公司的太阳能聚光技术联系在一起研制了碟式斯特林太阳热能系统，同时做了大量的实验测试。并且在原来的基础上，SES 公司与 DOE 合作开发了发电功率为 25kW、光电转换效率可达 28.9%的 SunCatcher 碟式斯特林太阳能热发电系统[33]。

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第2章 碟式斯特林太阳能热发电系统简介

 

相较于其他各类聚焦太阳光热发电技术而言，碟式斯特林太阳热发电技术具有光电转换效率高、聚光能力强、斯特林发动机的热效率高、灵活性强等优点，是可再生能源利用的研究热点。碟式斯特林太阳热发电系统通过聚光器聚焦太阳辐射产生高温热源，进而推动斯特林发动机输出电能[31]。为了帮助人们更好的了解碟式斯特林太阳能热发电系统，本章对系统进行了详细的介绍：首先，介绍太阳能热发电的原理，主要介绍碟式斯特林太阳能热发电技术的原理；其次，介绍斯特林发动机，主要对发动机在工作过程中采用的循环方式——斯特林循环进行了详细介绍，同时也介绍了斯特林发动机的特性。最后，简单介绍了碟式聚光器的结构和聚光原理。

 

2.1太阳能热发电原理介绍

根据聚光器形状的不同，太阳能热发电系统可以分为三种：塔式、槽式和碟式。它们均由聚光器、吸热器、蓄热器、热力传输系统和电力转换系统组成，系统结构如图 2-1 所示[51]。聚光器通过发射将太阳辐射能量会聚到吸热器；吸热器以热能的形式将太阳辐射能量传递给热传输系统；同时，蓄热器以热能的形式存储太阳辐射能量，并等待传输热能至热传输系统；热传输系统将热能转化为机械能传递至电力转换系统；电力转换系统将机械能转化为电能输出，从而完成了太阳能热发电系统光—热—电的转换。塔式太阳能热发电系统利用大面积平面镜阵列来聚集太阳辐射，系统年平均转换效率约为 15%~17%，理论峰值光电转换效率可达至 20%~27%；槽式太阳能热发电系统利用槽式聚光镜来聚集太阳辐射，系统年平均转换效率约为 15%~16%，理论峰值光电转换效率可达至 23%~27%；碟式太阳能热发电系统利用旋转抛物面反射镜来聚集太阳辐射，系统年平均转换效率高达约 26%，理论峰值光电转换效率也高达至 29%~31%[51]。由此可知，碟式太阳能热发电系统的发电效率在所有太阳能热发电系统中是最高的，因此受到了国内外学者的广泛关注[52]。

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2.2斯特林发动机介绍

斯特林发动机（Stirling Engine）是一种外部燃烧（供热）的封闭式循环活塞发动机，主要由外部燃烧（供热）系统、工作循环系统（热能-机械能转换系统）和传动系统（机械能传输系统）等组成，如图 2-4 所示[53]。斯特林发动机的工作过程[53]为：空气（氧气）进入发动机的燃烧室，与喷入的燃料混合后进行燃烧，并形成高温燃烧气体；高温燃烧气体对加热器进行辐射加热，或流经加热管时对加热器进行对流换热，并由加热器对管内的工质（氢气、氦气或空气等气体）进行加热；加热后的工质在发动机热腔中膨胀做功；在压缩过程中，工质的压缩热量由冷却器传给外界；由传动系统输出工作循环系统的循环功。因此，斯特林发动机可以将吸收的热能转化为机械能，而该过程是以斯特林循环为基础的。斯特林发动机性能的优劣，直接影响了碟式斯特林太阳能热发电系统的光电转化效率。本文对斯特林循环和斯特林发动机的特性做了详细的介绍。斯特林发动机的回热器和活塞之间形成了两个空间，分别为热腔（膨胀腔）和冷腔（压缩腔）。回热器位于两腔之间，用来吸收流过的高温工质的多余热量并释放给低温工质[54]。冷热两腔之中各有一个活塞，为了描述方便，我们称热腔中的为热活塞，冷腔中的为冷活塞。斯特林循环过程中，热活塞和冷活塞的位置在不断发生变化，如图 2-6 所示。则斯特林循环过程[53,54]可做如下描述：1）等温压缩：图 2-5 中点 1-点 2 的过程。循环开始时，冷活塞位于行程最靠外的位置，而热活塞紧靠回热器，位于内止点，如图 2-6(a)所示。此时工质容积最大，温度和压力均为最小，即图 2-5 中点 1 的位置。冷活塞不断向回热器位置靠近，热活塞的位置不变，工质体积减小，压力变大。工质在压缩过程中向外界释放热量，因此温度不变。2）等容加热：图 2-5 中点 2-点 3 的过程。冷活塞继续向回热器方向运动，热活塞向外止点靠近，过程中保持容积不变。当冷活塞运动到靠近回热器时，该过程结束。此过程中，工质通过回热器流至热腔时被加热，达到最高温度 TH。3）等温膨胀：图 2-5 中点 3-点 4 的过程。热活塞在气体工质的推动下不断向外止点位置靠近，冷活塞不动。当热活塞运动到行程最大位置时，该过程结束。与等温压缩过程相反，膨胀过程中气体对外做功，外部热源补充能量。

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第3章 太阳能光热电站碟面阵列分布优化方法...........15

3.1 数学模型 .............15

3.2 矩形分布下的最优化计算..............23

3.3 全局最优化碟面分布方法..............25

第4章 最优化碟面阵列布局的特性.................32

4.1 经纬度对最优化碟面布局的影响................33

4.2 光照资源对最优化碟面布局的影响............36

第5章 总结与展望.................38

5.1 总结 .......38

5.2 展望 .......39

 

第4章 最优化碟面阵列布局的特性

 

4.1经纬度对最优化碟面布局的影响

由于地球的自转，太阳直射点沿纬线移动，经纬度不同的城市的太阳仰角  (°)随时间的变化情况也不同，如图 4-1 所示。其中，(a)为城市喀什：纬度 39.74°N，经度 75.98°E；(b)为城市吉兰泰：纬度 39.78°N，经度 105.75°E；(a)(b)均采用北京时间作为时间轴。太阳能是一种清洁环保的可再生能源，是为人类的生产生活提供原料、能源和必不可少的物质条件的基础[59]。太阳能光照资源是普遍存在的，但是它具有很强的地域性，不同地区的光照资源强度不同，其太阳垂直辐射值 DNI 也不同，如图 4-1 所示。美国可再生能源实验室 NREL 研发了太阳辐射气候模型（CSR，Climatological Solar Radiation Model），该模型结合云盖、水汽和示踪气体信息，并考虑气溶胶数量，计算并得到分辨率为40km×40km 的月平均太阳辐射数据(kwh/m2/month)[60]。该模型计算的结果以日平均太阳辐射 (kwh/m2/day)数据的形式保存在软件 SAM[58]中，本文从 SAM 中获取日平均太阳辐射数据，作为光照资源强度用于下一步的研究。

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总结

 

由于地球能通量密度相对较低（约 1000W/m2），人们若想利用太阳能进行发电，需大面积接收太阳的辐射，而抛物碟面是收集太阳辐射的理想设备。太阳能热发电系统通常由成百上千个抛物碟面组成，每个碟面都会接收到太阳辐射能量。根据太阳的位置和碟面间的距离，碟面会受到来自相邻碟面的遮挡，这将导致太阳能热发电系统的光电转换效率降低。为了提升系统的效率，我们可以通过增加碟面间距来避免阴影遮挡，但这会增加设备、管线路和土地等的花费。因此，从最优化观点看，我们应该关于太阳能热发电系统的光电转换效率和安装的土地成本提出一个折衷的方法[49,50]。结合斯特林发动机的热力特性，本文聚焦于设计 SES 25kW 碟式斯特林太阳能热发电系统的最优化分布，使其在土地成本确定的情况下，效率达到最高。同时，结合不同地区的气象数据，本文对最优化碟面分布的特性进行分析，期望得到适用性更强的结论。结合不同地区的经纬度和光照资源情况，分析最优化碟面布局的特性。结合不同地区的气象数据，本文利用数学模型计算出不同城市最优化碟面布局的e ，并得到e随碟面东西方向有效列间距   X的变化率 K。在此基础上，本文分析碟式太阳能热发电系统所安装地点的经纬度和光照资源对最优碟面分布的变化率 K 的影响，得到结论：在光照资源更丰富的地区安装碟式斯特林太阳能热发电系统会获得额外的效益，而系统安装地点的经纬度不影响系统的效益。

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参考文献（略）