斯特林发动机及碟式太阳能热发电系统的模拟和优化

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北京工业大学

硕士学位论文

斯特林发动机及碟式太阳能热发电系统的模拟和优化

姓名：杨征

申请学位级别：硕士

专业：热能工程

指导教师：马重芳

20080501

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摘要

摘要

在环境污染和能源形势日趋严峻的背景下，开发太阳能等可再生能源成为人类迫切的需要。碟式太阳能热发电技术是太阳能热利用中最有潜力的技术，具有广阔的发展前景。

本文以四缸双作用斯特林发动机为研究重点，首先阐述了模拟斯特林发动机的施密特分析法，进而分析了四缸双作用斯特林发动机工作过程中存在的各种流动阻力损失和热量损失，建立了适用于模拟四缸双作用斯特林发动机性能的模型。通过与实验数据的对比，模型计算的结果与实验结果较为吻合，模型可以用来估计发动机的工作情况。论文以建立的模型为目标函数、以具体实际情况为约束条件建立了发动机参数最优化模型，应用拟牛顿法和惩罚函数法实现了对最优化模型的求解。

在此基础上，本文设计了输出功率从５ｋＷ到２５ｋＷ的四缸双作用斯特林发动机，并对发动机的结构参数进行了优化。着重对２５ｋＷ斯特林发动机从工况、工质和换热器参数等方面进行了性能分析。分析结果表明：在工况影响方面，提高发动机加热器壁面温度和发动机平均循环压力可以提高发动机的效率，而提高发动机的转速和平均循环压力可以提高发动机的功率；在工质影响方面，氢气的效果是最好的，氦气次之，空气的效果最差；在各换热器影响方面，分析得到了加热器的管数、长度、内径，冷却器的管数、长度、内径和回热器的个数、丝线直径、长度、内径等参数变化对发动机的功率和效率的影响规律。

最后，本文分析了碟式太阳能热发电系统中的聚光器和吸热器，建立了碟式太阳能热发电系统完整的模型，设计了一台额定输出功率为２５千瓦的碟式太阳能热发电系统，碟式聚光器的直径为１１．９１０２米，系统的功率为２８．７７％。对系统的动态性能模拟结果表明：只有太阳直射强度高于４７４．４４７１Ｗ／ｍ２时系统才能启动，系统的工作时间在８：００到１６：１０，系统在１１：００至１３：ｏｏ时间范围内输出功率为２５ｋＷ左右，输出效率高于２８．５％，系统工作的平均效率达到了２５．２８２３％。

关键词碟式太阳能热发电系统：四缸双作用斯特林发动机：性能模拟；参数优化

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■ＩＩ——北京工业大学工学硕士学位论文Ｉ，＿皇皇薯

Ａｂｓｔｒａｃｔ

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