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1、本科毕业论文基于斯特林热机的碟式太阳能热发电系统设计及分析 姓 名 学 院 能源与动力工程学院 专 业 制冷与低温工程 指导教师 完成日期 2011年5月上海理工大学全日制本科生毕业设计（论文）承诺书本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文）基于斯特林热机的碟式太阳能发电系统设计及分析是在导师的指导下，严格按照学校和学院的有关规定由本人独立完成。文中所引用的观点和参考资料均已标注并加以注释。论文研究过程中不存在抄袭他人研究成果和伪造相关数据等行为。如若出现任何侵犯他人知识产权等问题，本人愿意承担相关法律责任。 承诺人（签名）： 日 期：基于斯特林热机的碟式太阳能热发电系统设计及分析摘 要在环境污染
2、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。与其他种类的太阳能发电技术相比，碟式太阳能发电系统具有布局灵活、应用前景非常广泛、发电效率高、结构简单、降低成本潜力及系统优化潜力巨大等一系列优点，因而成为了人们研究的焦点。本文针对8kW点聚焦太阳能斯特林发电系统进行了设计和分析。主要使用了绝热模型对斯特林发动机进行分析，并考虑了换热器的热损失，得到与实际运行性能相近的分析结果。对所用的太阳能聚光器进行了设计，考虑了实际聚光器在加工过程中精确度引起的反射面与理想旋转抛物面之间存在的偏差即反射面倾斜误差。并根据北京地区的太阳直射量计算了8kW点聚焦太阳能斯特林系统性能参数。关
3、键词：斯特林发动机 绝热模型 太阳能聚光器，DESIGN AND ANALYSIS OF THE DISH-STIRLING SOLAR POWER GENERATION SYSTEMABSTRACTUnder the circumstance of environmental pollution and the deterioration of energy crisis, the exploitation of solar energy and other renewable energy has become the highest priority if human beings ex
4、pect a sustainable development. Compared with the other types of solar thermal power generation systems, the parabolic dish is well-known for its flexible arrangement, wide future utilization, high efficiency, simple structure and the potential to low the cost and optimize the system. Due to the adv
5、antages listed above, parabolic dish solar thermal power generation system is on the radar of many researchers.In this paper the dish-Skirling solar power generation system was analyezd in detail. The adiabatic model was used to analysis the performance of the Stirling engine and the heat loss in he
6、ater, cooler and regenerator were calculated in detail. The analysis results were approximate equal to the real operation performance. Furthermore, a dish solar concentrator was designed in this paper and the actual dish solar concentrator error was considered，which is the existence deviation there
7、exists in namely catopter incline error.At last, the performance of an 8kW dish-Stirling engine in Beijing area was evaluated.KEY WORDS: Stirling engine Adiabatic model Dish solar concentrator目 录摘 要ABSTRACT第一章 绪论11.1研究背景11.2太阳能发电技术的现状11.3太阳能热发电技术21.3.1塔式太阳能热发电技术21.3.2槽式太阳能热发电技术31.3.3碟式太阳能热发电技术41.3.4
8、三种热发电技术的比较61.4斯特林发动机的研究现状71.4.1国内发展现状71.4.2国外发展现状71.5本文的目的及主要研究8第二章 斯特林机热机绝热模型分析及计算92.1斯特林热机的循环介绍92.1.1理想的热力循环92.1.3斯特林循环的分析计算112.2 施密特循环分析法122.3绝热模型分析法132.3.1模型的建立142.3.2建立方程组152.3.2解微分方程组的方法182.4有热损失的绝热模型计算方法192.4.1回热器的热损失计算192.4.2加热器和冷却器中的热损失212.5本章小结23第三章：8kW斯特林发动机的绝热模型的设计与分析243.1斯特林热机的参数设计243.2
9、模拟程序的流程图253.3.1施密特分析结果263.3.2理想绝热模型的分析结果273.3.3有热损失的绝热模型分析293.4本章小结31第四章 碟式太阳能热发电系统的设计和分析324.1碟式聚光器的性能分析324.4.1聚光器的性能及能量传递分析324.1.2聚光器误差分析334.1.3吸热器吸收能量分析354.1.4聚光器吸热器性能的计算364.2太阳直射强度的确定374.3聚光器吸热器设备的设计384.4碟式太阳能斯特林发电系统的参数394.5本章小结39第五章 结论与展望405.1结论405.2展望40参考文献41致 谢43上海理工大学本科毕业论文图 录图1.1太阳能发电的分类2图1.
10、2 塔式太阳能热发电系统3图1.3 槽式太阳能热发电4图1.3 槽式太阳能热发电5图2.1 （a）斯特林循环p-V图 （b）斯特林循环T-S图10图2.2 斯特林循环示意图11图2.4 绝热模型示意图13图2.4 绝热模型示意图15图2.5 温度分布16图2.6 换热器抽象模型17图2.7 压缩腔的抽象模型18图2.8 有热损失回热器的温度示意图22图2.9 简单热损失计算温度分布图24图2.10 基于绝热循环的热损失计算流程图24图3.1 曲柄连杆斯特林发动机示意图27图3.2 MATLAB模拟计算的流程图27图3.3 施密特分析压力分布图29图3.4 施密特分析p-V图29图3.5 绝热循
11、环p-V图30图3.6 绝热循环能量图30图3.7 有热损失的绝热模型的温度图32图3.8 有热损失的绝热模型p-V图34图4.1 碟式聚光器示意图34图4.2 焦平面出能量分布36图4.3 存在指向误差时焦平面区域模型36图4.4 北京地区太阳能直射强度图40图4.5 下图为太阳能斯特林发电系统图41表 录表1.1 三种发电技术的对比7表2.1 绝热模型微分方程组19表3.1 斯特林热机的基本参数26表3.2为热机参数的计算结果28表3.3 施密特分析结果28表3.4 绝热模型分析结果29表3.5 有热损失的绝热模型分析结果31表4.1 北京地区太阳直射强度表39表4.2 碟式太阳能热发电系
12、统主要参数表41符 号 说 明回热器的传热面积，c用作下标时表示压缩腔的参数，ck压缩腔和冷却器交接面处的参数定容比热容，定压比热容，e用作下标时表示膨胀腔的参数，f焦距，mG遮盖率，格拉晓夫数，h用作下标时表示加热器的参数，h换热器中的换热系数，he加热器和膨胀腔交界面处的参数，I太阳直射辐射量，k用作下表时表示冷却器的参数，kr冷却器和回热器交界面处的参数，M工质的总质量，kg质量流量，换热器抽象模型中工质进口质量流量，换热器抽象模型中工质出口质量流量，斯坦顿数,循环过程中填料传给工质的热量，kJ回热器中的传热损失，kJr用作下标时表示回热器的参数，气体常数，rh回热器和加热器交界面处的参
13、数，开口半径，m极轴角，理想斯特里循环最高温度，K理想斯特林循环最低温度,K回热器平均温度，K换热器抽象模型中工质进口温度，K换热器抽象模型中工质出口温度，K加热器壁面温度，K环境温度，K冷却器中工质的温度，K加热器中工质的温度，Ku工质流动速度，热机热效率，绝热循环热机热效率，绝热指数，回热器效能，工质密度，反射率，太阳光线最大角的一半，聚光器反射面的倾斜误差，m跟踪误差，m接收腔定位误差，m太阳光线误差，m总光学误差分布的标准误差，m焦平面热流密度分布误差，m吸热强体内表面的发射率，截断效率，空气导热系数，W/(cm.K)边缘角。第一章 绪论1.1研究背景近些年来能源短缺，资源枯竭俨然已经
14、成为一个国际问题。能源是国民经济发展和人民生活所必需的重要物质基础，对社会的发展，经济的繁荣有着极为重要的意义。当今世界的发展在很大程度上依赖消耗大量的能源，而以煤、石油，天然气为代表的化石燃料正在日益枯竭中。过分依赖化石燃料的消耗的发展模式是生态环境破坏的主要原因之一。能源枯竭和环境污染两大问题严重制约着人类社会的发展。要从根本上解决这个问题，就要求我们大力发展对环境友的新能源。太阳能是一种能量巨大、遍布世界且无污染的新能源，太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.751026W）的22亿分之一，但已高达173，000TW。也就是，说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨
15、煤，所以太阳能的开发和利用受到各国的重视。我国有着十分丰富的太阳能资源。我国陆地表面每年接受的太阳能辐射约为147108000万千瓦时，年日照时数大于2000小时的地区面积较大，约占全国总面积的2/3以上，主要为西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部等广大地区，这些太阳能资源丰富或较丰富的地区，具有利用太阳能的良好条件。太阳能的利用方式有很多种，主要有太阳能光发电、太阳能热利用、太阳能动力利用。太阳能热发电是太阳能利用中的重要形式。它具有技术成熟、发电成本低和容易与化石燃料形成混合发电系统的优点，被认为是可再生能源发电中最有前途的发电方式。1.2太阳能发电技术
16、的现状21世纪能源危机成为了国际社会关注的焦点，化石燃料的不可再生性和对环境的污染性，使得新能源的开发迫在眉睫。而太阳能将成为全球的主要能源之一。太阳能具有资源充足、长寿、分布广泛、安全、清洁、技术可靠等优点。太阳能能转化成其他种类的能量，因此其发展前景和应用范围都非常的广泛。而太阳能发电是这其中的最重要的一种利用形式。太阳能发电站主要可以分为两种形式1（如图1.1）：太阳能热发电技术和太阳能光发电技术。不通过过热过程将太阳能直接转化成电能的利用方式成为太阳能光发电。目前得到应用的是太阳能光伏发电技术。太阳能热发电技术是将吸收的太阳能辐射热能转化成电能的装置。太阳能热发电有很多类型，主要有以下
17、几种：塔式系统、槽式系统、碟式系统、太阳池和太阳能塔热气流发电。其中，非聚光太阳能热发电技术有太阳池热发电，太阳能热气流发电等；聚光型太阳能发电技术有塔式太阳能热发电、槽式太阳能热发电，碟式太阳能热发电。较为成熟的发电技术是太阳能热发电技术和太阳能光伏发电。下面将详细介绍太阳能热发电技术。图1.1 太阳能发电的分类1.3太阳能热发电技术由图1.1可知道，太阳能热发电技术可以分为太阳能热直接发电和太阳能热间接发电。这里将详细介绍的是太阳能热间接发电中的聚焦类太阳能热发电（下称太阳能热发电）。而非聚焦类太阳能热发电技术主要包括太阳能热气流发电和太阳能池热发电。太阳能热发电是指将太阳光聚集并将其转化
18、为工作流体的高温热能，然后通过常规的热机或其它发电技术将其转换成电能的技术。经过30多年的研究和实际运行经验积累，目前太阳能热发电的技术取得了重大进展和突破，电站关键设备的成本也有较大幅度的下降，美国Solar Two电站的发电成本为0.11欧元/kWh，美国SEGS的发电成本为0.091欧元/kWh，西班牙PSl0为0.09欧元kWh。近年来，由于环境与资源的压力，给可再生能源的发展带来了全球性的繁荣，具有低成本潜力的太阳能热发电技术也进入了快速发展时期。世界现有的太阳能热发电系统大致有:塔式系统、槽式系统和碟式系统三类,其中槽式系统在20世纪90年代初期实现了商业化,其他两种目前处于商业化
19、示范阶段,有巨大的应用前景。1.3.1塔式太阳能热发电技术塔式太阳能热发电系统2（图1.2），也称集中型太阳能热发电系统，主要由定日镜阵列、高塔、吸热器、传热介质、换热器、蓄热系统、控制系统及汽轮发电机组等部分组成，基本原理是利用太阳能集热装置将太阳热能转换并储存在传热介质中，再利用高温介质加热水产生蒸汽，驱动汽轮发电机组发电。塔式太阳能热发电系统中，吸热器位于高塔上，定日镜群以高塔为中心，呈圆周状分布，将太阳光聚焦到吸热器上，集中加热吸热器中的传热介质，介质温度上升，存入高温蓄热罐，然后用泵送入蒸汽发生器加热水产生蒸汽，利用蒸汽驱动汽轮机组发电，汽轮机乏汽经冷凝器冷凝后送入蒸汽发生器循环使用
20、。在蒸汽发生器中放出热量的传热介质重新回到低温蓄热罐中，再送回吸热器加热。该系统由一组独立跟踪太阳的定日镜组成，它是一种在刚性金属结构支持下的反射镜，由控制系统进行方位和角度的调整以跟踪太阳，还能自动翻转、收拢，以防止大风、冰雹、尘土等造成损坏。具有规模大、热传递路程短、热损耗少、聚光比和温度较高等特点 ,极适合于大规模并网发电。图1.2 塔式太阳能热发电系统塔式电站的优点3：1.聚光倍数高,容易达到较高的工作温度,阵列中的定日镜数目越多,其聚光比越大,接收器的塔电厂集热温度也就愈高；2.能量集中过程是靠反射光线一次完成的,方法简捷有效接收器散热面积相对较小,因而可得到较高的光热转换效率。3.
21、接收器散热面积相对较小 因而可得到较高的光热转换效率。塔式太阳能热发电的参数可与高温高压火电站一致,这样不仅使太阳能电站有较高的热效率,而且也容易获得配套设备。虽然这种电站的建设费用十分昂贵,美国Solar One电站初次投资为1.42亿美元。成本比例为：定日镜52%、发电机组、电气设备18%、蓄热装置10%、接收器5%、塔3%、管道及换热器8%、其它设备4%。但随着制镜技术的提高和规模的增大,定日镜成本将大幅度降低。与常规化石能源发电相比，如果算上环境污染的成本,那么塔式太阳能热发电的前景将更加广阔。美国能源部主持的研究结果表明在大规模发电方面,塔式太阳能热发电将是所有太阳能发电技术中成本最
22、低的一种方式。1.3.2槽式太阳能热发电技术槽式太阳能热发电3（图1.3）主要是借助槽形抛物面聚光器将太阳光聚焦反射到接收聚热管上，通过管内热载体将水加热成蒸汽，推动汽轮机发电。基于槽式系统的太阳能热电站主要包括：大面积槽形抛物面聚光器、跟踪装置、热载体、蒸汽产生器、蓄热系统和常规Rankine循环蒸气发电系统。在太阳能热电系统中配置高温蓄热装置是为解决太阳能的间歇不稳定性而设计的。它可以在太阳光充裕的时候把热能存储下来，当太阳光不足时再放出热能，实现电厂的持续发电。吸收器、聚光器以及跟踪系统构成槽式太阳能热发电系统的集热装置。槽式太阳能热发电系统结构紧凑，其太阳能热辐射收集装置占地面积比塔式
23、和碟式系统的要小3050；且槽形抛物面集热装置的制造所需的构件形式不多，容易实现标准化，适合批量生产。用于聚焦太阳光的抛物面聚光器加工简单，制造成本较低，抛物面场每平方米阳光通径面积仅需18kg钢和11kg玻璃，耗材最少。图1.3 槽式太阳能热发电槽式太阳能热发电系统包括以下五个子系统：（1）聚光集热子系统。是系统的核心,由聚光镜、接收器和跟踪装置构成。接受器主要有两种真空管式和腔式；跟踪方式采用一维跟踪,有南北、东西和极轴三方式。（2）换热子系统。由预热器、蒸汽发生器、过热器和再热器组成。当系统工质为油时,采用双回路,即接收器中工质油被加热后,进入换热子系统中产生燕汽,蒸汽进入发电子系统发电
24、。直接采用水为工质时,可简化此子系统。（3）发电子系统。基本组成与常规发电设备类似,但需要配备一种专用装置,用于工作流体在接收器与辅助能源系统之间的切换。（4）蓄热子系统。太阳能热发电系统在早晚或云遮间隙必须依靠储存的能量维持系统正常运行。蓄热的方法主要有显式、潜式和化学蓄热三种方式。辅助能源子系统。在夜间绒阴雨天 ,一般采用辅助能源系统供热 ,否则蓄热系统过大会引起初始投资的增加。如今研究比较集中的是单回路槽式太阳能热发电系统，也就是DSG(Direct Steam Generation)系统。与双回路系统相比单回路系统有效率高，费用低和高权性能高的优势，而DSG系统由于有高压和低流速的问题
25、而需要对系统做很大的调整。控制系统也会相对复杂。废水流入接收管的时候，两相流叶长生层流现象。管子会由于压力问题发生变形或破裂。1.3.3碟式太阳能热发电技术碟式太阳能发电作为太阳能热发电的一种，系统相对于其他两种系统而言装置比较简单、光利用的效率较高，而且碟式聚焦技术有分布式能源的优点，安装和设置相对容易。碟式太阳能热发电系统（图1.4）是利用旋转抛物面反射镜，将入射阳光聚焦在焦点上，放置在焦点处的太阳能接收器收集较高能量的热能，加热工质，驱动发电机组发电或在交点处直接太阳能斯特林发电装置发电。整个系统包括：旋转抛物面放射镜、接收器、跟踪装置和蓄热系统。具有寿命长、效率高、灵活性强等特点，可以
26、单台供电，也可以多套并联使用。图1.4 碟式太阳能热发电系统（1）聚光器：由于太阳辐射能量的密度很小，为了能够达到发电所需的温度，必需用聚光器把近似平行入射的大面积的太阳光汇聚到一个很小的面积上，从而使该面积上的能流密度增大，温度达到可以用于发电的程度。反射面的面积和吸收面的面积之比就是几何聚光比。实际应用中更关心聚光器的能量聚光比，即吸收体的平均能流密度和入射能流密度之比，数值上等于几何聚光比和光学效率的乘积。（2）跟踪控制系统:跟踪控制系统的作用是使聚光器的轴线始终对准太阳.跟踪太阳的方法主要有：光电跟踪和根据视日运动轨迹跟踪。因此，跟踪控制系统的实现也可以有多种方式，电控方式可以分为通过
27、太阳传感器作为反馈进行的模拟控制和由计算机控制电机并通过太阳传感器形成反馈的数字控制。（3）集热器：集热器将聚光器汇聚的光能转化为热能。为了使吸热面的热流密度不至于太大，焦点不能直接落在吸热面上，吸热面通常放置在焦点后方，焦点落在吸热腔体的开口上，开口应尽可能的小，以减小辐射和对流热损失。斯特林机的集热器有直接吸热和间接吸热两种形式。由于斯特林机的工质气体氢或者氦在高压下有较强的传热能力，直接吸热式可以吸收很大的热流密度(大75W/cm2)，但是平衡汽缸内的温度和传热量是直接吸热式需要解决的一个问题。使用液态金属或者热管作为换热介质的间接吸热方式可以解决上述问题。热管换热器的温差很低，从而可以
28、使斯特林机工作在一个较高的温度，从而得到较高的效率。（4）热电转换装置：碟式太阳能热动力发电装置的热电转换主要是采用自由活塞斯特林机作为自由活塞斯特林机是一种活塞式外燃机。热机提供的机械能带动发电机运转，可以进一步将机械能转化为电能。（5）电力变换装置：由于太阳能辐射随天气变化很大，所以热电转换装置发出的电力不是十分稳定，特别是小功率的便携式太阳能发电装置发出的电流小、电压低，不能直接提供给用户，需要经过整流、DC-DC升压、储能、DC-AC逆变等环节的处理，才能输出220V的工频电。（6）交流稳压装置：碟式太阳能热动力发电系统发出的电经过电力变换装置变成220V的工频电可以直接提供给普通用户
29、或并入电网，但并不能满足高精密负载的要求，需要在输入电压与负载之间增设一台高稳压精度的宽稳压范围的交流稳压装置.1982年美国加州建造了碟式斯特林太阳能热发电实验装置,其聚光器直径为11m,由320个小镜面组成,镜面总面积89m2,焦距6.6m,工作温度达1090,光电转换效率29%,最大功率24.6kW。由德国研发的6套9-10kW碟式斯特林系统在西班牙PSA进行了商业化前夕的示范,并累计达了30000小时的运行纪录。为进一步降低系统成本,SBP公司已实施了由德国环境部资助的6台碟式斯特林系统发展计划。1994年澳大利亚建造了一套旋转抛物反光镜面积达400m2的50kW碟式系统,工质为水,产
30、生的蒸汽驱动汽轮机发电。1.3.4三种热发电技术的比较三种太阳能发电技术有各自的优点和不足，下面表1.1为它们之间优缺点的对比。表1.1 三种发电技术的对比参数槽式系统塔式系统碟式系统规模/MW30-32010-205-25运行温度/309/734565/1049750/1382年容量因子/%23-5020-7725-80峰值效率/%202329.4年平均效率/%11-167-2012-25生产成本（美元/瓦）2.7-4.02.5-4.41.3-12.6通过表1.1的比较可以知道，除碟式系统外，其余两种太阳能热发电系统都是大规模集中系统。碟式系统规模较小，且具有高效、模块化和组成混合发电系统的
31、能力等特点。在所有太阳能发电技术中，碟式太阳能热动力发电系统具有最高的太阳能一电能转换效率，因此能成为最有潜力的太阳能热发电系统。1.4斯特林发动机的研究现状斯特林发动机4（Stirling engine，又名热气机）是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机，它理想的热力循环称作斯特林循环（即：概括性卡诺循环）。因此，同温度下其理论效率最高，更吸引人的是它具有两个明显优于内燃机的特点：（1）能利用各种能源，无论是常用的液体燃料，还是气体燃料或固体燃料，甚至太阳能、化学反应能和放射性同位素能源，只要是能产生一定温度的热量，斯特林发动机就可以工作；（2）振动噪音低、排放污染小，具有良好的环境特性。
32、1.4.1国内发展现状我国从七十年代末即开始斯特林发动机的研究开发工作，已设计出功率150W-10kW发动机l1种，多数已在实验室正常运转。现从事此项工作的约300人，并正筹建中国热气机研究会。北京农业工程大学凌泽芝同志在能源政策研究通讯1991年第一期“发展热气机、促进农村电气化”一文中介绍国内外斯特林发动机的发展概况及其特点后建议：“充分利用我国农村丰富的生物质能源和部分地区丰富的太阳能资源以解决农业用电问题”。并希望纳入国家“八五”科技规划和组织有关单位联合攻关。上海711研究所研制出热气机，是一种具有国际水准的科研成果，而排放的污染气体比目前市面上的其它发动机都要小，达到欧洲排放标准。
33、中国科学院电工研究所李鑫、李斌等，“碟式/斯特林太阳能发电系统设计”，以能量守恒方程为基础，结合抛物面光学特性，建立了设计计算聚光器的一个数学模型，并采用试算和迭代核算相结合的方法，对聚光器的尺寸进行了计算。还对太阳能热发电系统的经济性进行了分析。1.4.2国外发展现状现代碟式太阳能热发电技术5在20世纪70年代末到80年代初由瑞典USAB,美国Advanco corpora-tion,MDAC,NASA及DOE等发起开始研究，大都采用Silver/glass聚光镜，管状直接照射式集热器及U SAB4-95型热气机。目前，碟式发电装置的容量范围一般在5-50kW之间。点聚焦系统聚光比C=100
34、0-40000，聚光镜开口直径一般限制在10-20米之间，其原因是:1）与理想抛物面形状的偏差易造成焦斑直径过大;2）受到镜面和结构方面的限制。集热器/热机单元可以安装在盘面焦点处，随盘面一起运动，也可以放置在某一点处固定不动。美国Advaned Corporation于1984年建立了一套25kW碟式斯特林太阳热发电系统，太阳能-电能的最高转换效率记录是29.4%。以后，MDAC建立了8套碟式斯特林热发电系统，系统净效率大于30%，后来MDAC将硬件和技术全部转让给South-ern Califonia Edison(SEC)。SEC在1986-1988年间进行了试验，年平均效率达12%。德
35、国SBP公司于1984年至1988年间建造了两套大型碟式太阳热发电装置，安装在沙特阿拉伯的利亚德附近。采用张膜结构的聚光镜，直径17米，用USAB4-275型斯特林发动机，氢气工作温度620，工作压力15兆帕。当入射光辐照度为1000kW/m时，净输出53kW，效率达23.1%。美国Cummins公司开始了自由活塞式的碟式斯特林热发电系统的商收化工作，与SunLab合资开发了5-10kW碟式斯特林热发电系统（DSJVP计划)，并于1992年率先把自由活塞式斯特林发动机-直线发电机组应用于碟式太阳热发电系统，建造了3套设计功率为7.5kW的示范装置;2004来了，美国SES公司在Sandia国家
36、实验室建造了5套25kW碟式斯特林系统；2005年8月，SES公司建造了由40套25kW组成的1MW碟式系统，以便为850MW的电站建设积累经验。美国Solar和Solar项目在加州建立2-3万台斯特林发动机（25kW）的并联碟式太阳能大电机组，达到近100万千瓦的发电量。1.5本文的目的及主要研究内容1）从斯特林机的特点出发，详细介绍斯特林机的原理和组成，并对8kW的斯特林发动机的参数进行了详细设计和计算。2）使用绝热模型对斯特林机进行设计分析计算。首先对绝热模型的建立进行了详细的介绍，对质量，温度，热量和功建立了微分方程，并用MATLAB，解微分方程组得出分析结果。然后介绍了有热损失的绝热
37、循环的计算方法。3）对碟式斯特林热发电系统进行设计计算。设计了碟式聚光器，并经行了误差分析。对绝热模型的结果进行了分析，并与施密特循环进行了比较，最后得出系统的性能参数。第二章 斯特林机热机绝热模型分析及计算2.1斯特林热机的循环介绍斯特林发动机的理想循环是最简单的循环。它把发动机的实际过程作了许多简化，这种循环分析只适用于初步的实际计算。施密特提出了较符合实际的分析法，现已成为斯特林发动机循环分析的经典方法。但是，该方法仍不太理想，以致发动机实际的指示性能不超过施密特循环性能的60%。但是在初设计和热机性能优化上有重要的作用。2.1.1理想的热力循环在斯特林发发动机中,工质流过回热器吸收热量
38、是在等温过程中进行的,所以斯特林循环也叫等温回热循环。斯特林循环式由两个等温过程和两个等容过程组成的,图2.1为斯特林循环的p-V图和T-S图。斯特林循环在某些方面与卡诺循环相似。众所周知，卡诺循环是由两个等温过程和两个等熵过程组成。卡诺循环的效率在所有的热力循环中是最低温度；为等温膨胀时的温度，即循环最高温度)。上述两种循环，其共同特点时压缩和膨胀过程都是在等温过程中完成的。因此，当循环温度的上下限相同时，两种循环的热效率相等，故斯特林循环效率亦为最高循环效率。图2.1 （a）斯特林循环p-V图 （b）斯特林循环T-S图在按斯特林循环6工作的发动机中，工质工作在一个密封的闭合回路中，依靠容积
39、的变化来控制工质在闭合回路的流动。外部供热装置对闭合回路中的工质经行加热，受热后的工质在汽缸内膨胀，推动活塞做功。循环开始时，冷缸活塞处于外止点；热缸活塞处于内止点，紧靠回热器，如图2.2所示。此时，可认为工质全部集中在冷缸中，工质压力、温度均为最小值。图2.2 斯特林循环示意图等温压缩过程1-2：热缸活塞在内止点不动，冷缸活塞由外止点向内止点移动，热缸活塞和冷缸活塞之间形成的工作腔，由减小到。此时，工质被压缩，因压缩而产生的热量Qc通过缸壁传给环境，从而使工质温度保持不变，同时外界在压缩过程中向系统做工。即：,式中为气体常数。等容加热过程2-3:冷缸活塞运动到位置2以后，压力上升到 ，热缸活
40、塞开始由内止点向外止点和冷缸活塞一起同步移动，以保持容积不变，。工质通过回热器是吸热，温度上升到。此过程，压力上升到。此过程一直进行到冷缸活塞处于内止点，如图2.2中3位置所示，在该过程中，因系统容积不变，所以对外并不做功，但内能不断增大。在理想状态下，热能为，其中cv为温度范围内工质的平均等容比热容。等温膨胀过程3-4：冷缸活塞移动到3位置后，在内止点出不动，热缸活塞继续左移，工质在热缸中从外部热源一面吸热一面膨胀，从而保持温度不变，但工质压力因膨胀做工而下降。这个过程一直进行到热缸活塞移动到外止点，如图2.2中的4位置。其中：。等容放热过程4-1：从4位置开始，冷缸活塞和热缸活塞同步右移，
41、工作腔容积不变，从而实现等容过程。工质从热缸进入冷缸，工质通过回热器时，依次把不同温度的热能传给回热器基体，工质的温度从下降到。这个过程一直进行到热缸活塞移至内止点，冷缸活塞移到外止点，回复到1位置。在理想状态下，工质传给回热器的热能为。以上分析均是理想情况，当周而复始地进行上述四个热力过程时，便是理想的斯特林循环。由上述分析易知工质与回热器在一个循环中无热能的得失，即，也就是说，在等容放热过程中工质传给回热器的热能在等容加热过程中将全部传给工质。工质在循环过程中与外界的换热仅为,所做的功,即。斯特林循环的热效率等于卡诺循环的效率，其热效率为:。2.1.2斯特林发动机的实际循环理想循环是实际循
42、环的高度概括和抽象,在实际工程中是不可能完全实现的。在实际的斯特林发动机中，由于加热器和冷却器的加入，增加了系统的死容积。所谓发动机的死容积，指的是两个活塞都没有扫到的部分，包括余隙容积、回热器、加热器、冷却器的流通容积以及联通道和孔口的内部容积。死容积的大小对发动机的性能有重要的影响。除了死容积的影响以外，还有压缩和膨胀都难以达到等温。再者，不能忽略气体动力摩擦的损失。第三，不可能完全回热，即回热器的效率不可能达到100%。第四，对工质加热不仅发生在工质从回热器流向热缸的工程中，而且工质从热缸流向回热器的过程中也被加热；同样，工质从回热器流向冷缸时，通过冷却器中被冷却。第五，活塞不是缓慢的、
43、间歇的运动，而是快速、连续的运动，再加上工质的泄露等多方面的原因，使得斯特林实际循环与理论的理想循环偏离很多。理想循环具有指导意义。2.1.3斯特林循环的分析计算目前,典型的斯特林循环分析计算的的方法主要有3种，分别为施密特分析法、绝热模型分析法、劳克斯坦节点分析法和整体数值模拟研究法。施密特等温循环分析法,这个分析的方法是施密特于1871年首先提出来的,施密特等温循环分析法的一些假定十分理想化,如等温膨胀、等温压缩、完全回热，工作腔容积按正弦曲线变化、往复作简谐运动，工质没有泄漏等等。这些都与斯特林发动机的实际循环有相当大的差距，以致实际发动机的指示性能最多不超过施密特循环分析计算值的306
44、0%。但是，作为方案设计、初步设计阶段，由于该分析计算法较为简便，国内外技术人员都乐于采用。先进在分析过程中采用最多的是具有修正系数的等温分析法，该方法具有计算相对简单，精确度高等特点。适合于初步计算，但经验修正系数往往具有局限性，缺少普遍的指导意义。绝热循环分析法是克劳斯坦于1960 首先提出来的，绝热循环分析法主要特征是用绝热过程来代替等温过程，因此它较为接近实际循环。绝热循环计算相对复杂，故采用的人不多。克劳斯坦节点分析法。该分析法是克劳斯坦与1975年首先提出的节点分析法是一种求解偏微分方程的数值解法，在对斯特林循环进行分析计算时，必须事先假定其结构形式及基本参数，然后将它分割成许多小
45、网格或控制单元，分别列出质量、动量、能量守恒等偏微分方程，最后运用节点法编制程序进行模拟求解。节点分析比较逼近实际循环，而且可进行优化设计，是当代流行的斯特林分析计算法。2.2 施密特循环分析法斯特林发动机工作过程的典型分析方法是由施密特提出来的。施密特循环计算法假定活塞作往复简谐的连续运动，同时考虑了加热器、回热器和冷却器以及联通管道的流通空间（死容积）。因此，比活塞不连续运动和不考虑死容积的情况要符合实际。但是，施密特分析法仍然假设压缩和膨胀过程是在等温下进行的，而且回热器的回热过程是理想的。因此，施密特分析法仍然属于理想循环的一种分析方法。施密特循环的主要的几点假设：1）是完全回热过程。
46、2）系统各处瞬时压力都相等。3）工质遵守理想气体特性方程。4）没有泄漏，工质的质量保持不变。5）工作腔容积按正弦变化。6）在换热器中没有温度梯度。7）缸壁和活塞温度恒定。8）汽缸内工质成分完全混合。9）附加容积中工质的温度恒定。10）发动机转速不变。11）工况为稳定状态。它揭示了斯特林发动机的一些实质性问题，虽然有些过分理想化，不适用于实际的斯特林发动机循环，但仍然为我们分析斯特林发动机性能分析提供了的必要理论基础。图2.3 施密特循环的系统图如图2.3为施密特循环的系统图，图中E:膨胀腔，H：加热器，R：回热器，K：冷却器，C：压缩腔。施密特分析中，工质在加热器和膨胀腔中保持较高的温度，即热源温度不变，而在冷却器和压缩腔中保持较低温度，即冷源温度不变