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旋转式热电转换装置的分析设计

吴甜  
【摘要】:随着社会发展,能源短缺以及传统能源所带来的污染问题日益加剧,太阳能发电技术备受关注。碟式太阳能发电系统具有发电效率高,可独立发电等优势,但其热电转换装置体积大,质量重,不利于系统的分布式应用。本文旨在对一种新型旋转式热电转换装置进行分析设计。在保证发电效率的条件下,减轻热电转换装置的复杂度和自身重量,通过与轻柔索网结构形成的抛物面聚光器相配合,大幅降低传统碟式太阳能发电系统的重量和成本,从而促进太阳能光热发电系统的广泛应用。本文主要包括以下几方面内容:首先针对旋转式热电转换装置进行理论分析和性能计算。基于朗肯循环,针对装置工作过程进行详细分析,包括工质选择,工质状态分析,循环过程能量关系与能量损耗等。在选取两种不同工质的情况下,通过编程计算,分析工质温度、压强对系统性能的影响,从而设定合理的状态参数。计算得到系统其他运行参数,包括工质状态参数、整个系统热循环效率及功率等,并对两种工况下系统性能进行对比与总结。其次针对热电转换装置中集热器部分进行结构设计及优化。以平板型集热器结构为原型,结合装置概念设计方案,对集热器部分进行了更为详细的结构设计。基于工程传热学,通过对集热器各部分热损失进行理论分析,建立集热器能量平衡模型。并在此基础上对两种工况下集热器模型进行强度校核,结果表明集热器结构设计合理,与工况一相比,工况二装置强度要求低,经济性好。以轻量化为目标,针对集热器进行优化设计,优化后,装置质量仅有0.21kg,下降33%。最后针对热电转换装置中膨胀机部分进行气动设计和性能分析。采用向心透平作为膨胀机装置,结合系统运行参数,通过筛选法选取初始设计参数。一方面通过一维气动分析,获得向心透平的主要气动和结构参数;另一方面,在透平设计软件中输入初始设计参数,完成气动设计。两种设计方式所得参数误差在10%以内,说明设计参数合理。基于一维气动分析,完成三维造型设计并进行数值模拟,结果显示,虽然有部分区域存在小范围激波,但整体分布较为均匀,基本达到设计要求。对变工况下膨胀机内效率进行分析,并将其代入系统,进行热效率计算,结果显示,增大系统总吸热量可以有效提高膨胀机内效率,并在一定程度上提高系统热效率。本文工作是对新型旋转式热电转换装置的探索与细化,对小型碟式太阳能发电统热电转换装置的设计具有一定参考价值。


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