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1、第25卷第5期太阳能学报Vol25,No52004年10月ACTAENERGIAESOLARISSINICAOct,2004文章编号:02540096(2004)05065706太阳能斯特林发动机的性能模拟黄护林(南京航空航天大学能源与动力学院,南京210016)摘要:太阳能盘式聚光器和斯特林发动机能够很好地结合成为一种新型的具有广阔应用前景的动力系统,其性能研究和开发利用受到世界许多国家的重视。该文以等温模型为基础,考虑各部件中的工质流动损失、导热损失及活塞的穿梭和泵气热损失等,对一个低压无转速调节装置的盘式聚光
2、器斯特林发动机在一典型晴天日照下的一天中热性能进行模拟。结果显示;早晨接收器的温度随太阳辐射的增加迅速上升,输出功率和系统效率也快速增加,而后接收器的温度基本处于恒定,因而膨胀腔的膨胀功不变,接受器接收太阳辐射的增加使斯特林发动机的转速上升。流动阻力及各种热损失占膨胀功的比例随转速的升高越来越大,在上午10~12点时,输出功率又略有下降,而下午又正相反。因此,一天中的系统效率曲线呈一马鞍形。此外,结果也显示,提高发动机的工质压力,系统效率也将升高。关键词:盘式聚光器;斯特林发动机;等温模型中图分类号:TK5135文献标识码:A种可燃物的燃烧装置、太阳能、原子能、废
3、热、蓄0引言热器以及化学反应生成热装置等均可成为斯特林发太阳能是一种巨大清洁的能源,其开发和利用动机的外部加热热源。根据发动机的设计要求,外受到各国政府的重视。德国计划在2005年利用太部热源的温度有的高达2300K,低的只有几度温阳能电站向电网供电35GW,2025年达到23GW。差,其对多种燃料高度适应性的特点,使之具有广美国能源部计划在本世纪初增建约9GW的太阳能泛的用途,上至太空站,下至水中。斯特林发动机热电站。太阳能热电系统是由接受器直接接受太阳的闭式循环系统由膨胀腔、加热器、回热器、冷却辐射,然后通过一系列的热电转换装置把光能转换器和压缩腔组成,并依上列次序
4、串接在一起组成循为电能的装置。因为太阳能聚光器和斯特林发动机环回路,其内封入有很高热传递能力的氢气、氦气能非常好的配合产生电能,其将太阳能转换为电能或空气等气体作为工质,依靠活塞的运动使循环系的净效率可达294%,因此盘式聚光器的太阳能统的有关容积发生周期性的变化,工质得以在循环[1~2]斯特林发动机近年来引起了人们的极大兴趣。系统中做周期性的往复流动。工质在较低温度下被该系统包含一个盘式抛物面聚光器、接收器和斯特压缩,然后在较高温度下发生膨胀做功。理想的斯林发动机三部分。特林循环由两个等温和等容过程组成,其循环效率自1816年罗伯特斯特林发明了闭式循环斯特为卡诺效率,循环
5、输出功在相同的压力范围内比内林发动机以来,斯特林发动机的发展经历了三个阶燃机要大,其循环系统中工质压力变化平缓,循环段的起伏。近年来,由于斯特林发动机的许多优点压力比通常小于2,而且没有气阀机构,因而其运越来越被人们所认识,美日等发达国家又相继投入转平稳安静。此外,斯特林发动机能自行启动,其了大批人力和物力对其进行研究。斯特林发动机是转速是靠输入能量的多少来调节的,热效率变化不一种外燃(或外部加热)封闭循环活塞式发动机,其大,特别适合变工况下工作。为得到较大的输出功对燃烧方式或外燃系统的特性无特殊要求,只要外率和系统效率,需要尽可能提高工质的工作压力。燃温度高于闭式循环中的工
6、质温度即可。例如,各一般斯特林发动机的工质压力在5~10MP范围内,收稿日期:20030526基金项目:南京航空航天大学人才引进启动基金资助(S0391023)658太阳能学报25卷然而在高压下斯特林发动机的密封变得非常困循环系统划分成3个部分:热区(由膨胀腔和[3]难。实际工作的斯特林发动机工质压力都较低,加热器组成),温度为TH;冷区(由冷却器和压缩热效率不高。腔组成),温度为TC和回热器组成的回热区,温度[3]太阳能集光器的目的是尽可能使斯特林发动机为TR。回热器的平均温
7、度可用下式表示:的热端温度接近其最大设计运行温度并为其供应足THTR=08(TH-TC)ln(1)够的能量。聚光器约占太阳能斯特林发动机系统价Tc格的25%左右,一般都用小玻璃镜块拼成一个盘膨胀腔的容积VH为:状抛物面结构,或用铝箔、塑料薄膜制成完全的盘VSEVH=(1+cos)+VDE(2)状抛物面结构,采用双轴跟踪系统对太阳进行跟2压缩腔的容积VC为:踪,使反射的太阳光聚焦到一个小的接收器内。接VSC收器位于集光器的聚焦面上并与集光器一起运动,VC=[1-cos(-)]+VDC(3)
