浅议固体力学于可再生能源领域之应用

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1、浅议固体力学于可再生能源领域之应用　　摘要：指出了目前能源短缺问题日趋严重，将固体力学应用于可再生能源领域可为能源开发提供新思路。论述了利用模拟软件来分析固态气化物燃料电池在不同状态下的热应力分布，利用有限元素分析法（FEA）探讨了在受到重力和风力作用下，太阳追踪器结构力与形变情况，不同粉末填充率对储氢合金罐体循环吸放氢效率的影响。关键词：固态气化物燃料电池；热应力；太阳追踪器；储氢合金中图分类号：TM619文献标识码：A文章编号：1674-9944（2013）10-0269-031固态气化物燃料电池堆热应力分析能源短缺和环境污染问题深深制约着国家的经济发展，而燃料电池这一新型能源以其高效

2、环保的特点引起社会各界的广泛关注，所以完善燃料电池具有科研和经济双重意义，加大研究力度刻不容缓。7燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，主要由正负极和电解质构成，相当于一个小型发电厂。当今国际上较热门的几种燃料电池分别是：碱性燃料电池（AFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）。其中AFC已广泛应用于宇航领域，PEMFC主要作为交通动力和小型电源装置，MCFC也处在工业试验完成阶段，而起步较晚的SOFC是其中最有发展前景的燃料电池。固态氧化物燃料电池（SOFC）是由氧化钇稳定氧化锆（YSZ）那样

3、的陶瓷材料的阳极、电解质、阴极所组成（通常称为PEN）。它的主要特点是高温动作（600～1000℃），通过设置底面循环，可以获得超过60%的高效发电效率。但在获得高效率的同时由于在高温下运作，热膨胀系数的不匹配以及温度梯度会产生明显的热应力。因此，要设计出安全稳定的SOFC装置就需要利用有限元素分析软件来分析平板式SOFC在瞬时及稳态运作时的热应力分布。该实验的模拟对象是三层电池堆，模型过程是先将SOFC处在无压高温（800℃）条件下，然后降到室温（25℃），接着再加热到600℃的临时状态，最后在稳定状态下进行操作。为了使热应力分析结果更准确，主要探讨了在不同电池堆支撑条件情况下，热应力分

4、布差异；单元电池不同部位的的热应力分布差异；热膨胀系数的不匹配和温度梯度哪一项是产生热应力的主要原因；玻璃陶瓷黏滞行为对电池堆热应力分布的影响等问题。7根据模拟结果可以得出以下结论：在不同电池堆支撑条件情况下，热应力分布的差异并不大。而在各个单元电池中的顶部、中间、底部的热应力分布也没有明显的差异。热膨胀行为对于SOFC所产生的热应力的影响更大。由于玻璃陶瓷在高温时的具有黏滞特性，所以在工作环境温度下有松弛现象。虽然松弛程度不大但会使局部变形甚至断裂，这应该引起警觉。2太阳追踪器结构力与变形分析太阳能发电的方式主要有两种。第一种是利用太阳能集热器收集太阳辐射所产生的热能发电，第二种是利用光

5、生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能，基本装置是太阳能电池。但因为太阳能利用效率偏低，成本较高所以无法推广使用。而太阳能跟踪器是保持太阳能电池板随时正对太阳，让太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，可以显著提高太阳能光伏组件的发电效率。太阳能跟踪器主要分为单轴追踪器和双轴追踪器，其中双轴追踪器又包括转盘式和立柱式。目前世界上通用的太阳能跟踪器都需要根据安放点的经纬度等信息计算不同时刻的太阳所在角度，所以需要准确安装来减小误差。但在重力、风力的作用下会对聚光型太阳能发电系统的追踪精度产生影响。所以本实验同样也需要借助有限元素分析法（FEA）模拟不同情况下太阳追踪器结构力与结构形变情

6、况。该实验分别在无风，风速7m/s（四级风）和127m/s（六级风）的情况下进行，其中风向又分为正向和背向两种方式，最后通过计算产生变形后的法向量与对准太阳时的法向量的角度偏差量估算结构形变情况。在纯重力情况下，根据vonMises准则，可以判断出追踪器不会发生塑性形变。当受重力单独作用和分别受到7m/s和12m/s的风速的情况下，所造成角度的偏差值分别为0.23°、0.25°和0.3°，这些数值皆小于太阳追踪器的精度要求0.5°，所以在此风速下太阳追踪器的发电效率不会明显下降。3储氢合金罐膨胀变形分析氢能是氢气和氧气发生反应所释放出的化学能。由于反应后的生成物是水，所以不会造成污染，而且

7、放出的热量是燃烧汽油放出热量的2.8倍，因此在21世纪，氢能很有可能在世界能源舞台上扮演举足轻重的角色。氢能是一种极为优越的二次能源，其主要优点有：燃烧热值高，同时制氢方法多样且廉价。氢气可以由水制取，而水是地球上最为丰富的资源之一，制氢过程充分演绎了自然物质循环之美，体现了可持续发展的思想。但是安全可靠的贮氢和输氢方法成为开发氢能的关键因素。7目前主要的储氢方法有高压压缩装瓶法、液化储氢法、纳米碳管储氢和金属储氢合金。