大功率碟式太阳能斯特林发电系统光-热-功转换不可逆损失机理及实验研究

With regard to the several problems of irreversible losses and their interactions during energy transfer process of two crucial subsystem of solar thermal electricity system, namely cavity receiver and stirling engine, such as what is not well-understood about the working fluid oscillating flow and heat transfer, irreversible losses interaction between cavity receiver’s and stirling engine’s , several research program will be started in this proposal: work fluid oscillating flow and heat transfer mechanism research of dish stirling engine heat exchanger will be developed, which is intend to reveal heat transfer and pressure drop characteristics of different working space of stirling engine heat exchanger such as expand space, compress space, heat tube and cool tube, regenerator; fine-scale irreversible loss mathematic model of these working space will be built, specific test rig of stirling engine oscillating flow and heat transfer characteristic validation will be constructed; mix convective heat loss mechanism of cavity receiver under wind will be developed, which is intend to reveal interaction law between internal wall’s temperature variation and work fluid oscillating flow and heat transfer of stirling engine. Field test of whole system will be developed based on 25kW dish solar stirling electricity system experimental apparatus, theory and data will be provided about how to design a high-efficiency and reliable solar dish stirling electricity system.

针对碟式太阳能斯特林发电系统两个关键子系统斯特林热机和腔式吸热器在能量转换过程中的不可逆损失及其相互影响机制研究中的若干问题如热交换器工质振荡流动和换热特性研究不充分、腔式吸热器和斯特林热机不可逆损失耦合特性研究稀少等问题，项目拟进行碟式斯特林热机热交换器工质振荡流动与换热机理研究，揭示振荡流动条件下斯特林热机热交换器不同工作空间如膨胀腔、压缩腔，热管，冷管和回热器的换热和压降特性；建立这些工作空间的不可逆损失精细数学模型，掌握热交换器不可逆损失与结构、运行工况之间的关系；研制专用试验台并开展实验测试，根据结果修正模型；开展不同环境风条件下腔式吸热器混合对流热损失机理研究，揭示其内壁面温度波动与斯特林热机工质振荡流动的相互影响规律。基于25kW碟式光热太阳能斯特林发电系统试验装置开展现场测试工作，为设计一类高效、可靠、稳定工作的碟式太阳能斯特林发电系统提供理论支撑和数据支持。

碟式斯特林太阳能发电系统发电效率高，但造价贵，运行可靠性低。本项目力图加强碟式斯特林系统关键子部件聚光碟、吸热器和斯特林热机三者之间的匹配优化，降低系统的不可逆损失，提升其运行可靠性水平。主要研究内容包括：.1）太阳能吸热器多学科优化设计与光热特性。在综合考虑聚光系统光学性能与斯特林热机工质流动与换热特性对吸热器性能影响的基础上，建立了吸热器最佳管数与管长计算方法。基于等距曲线与等距曲面形成方法，采用平面圆渐开线向凹、凸、圆锥等三种空间曲面投影的方法来确定吸热器热管空间布局，基于微分几何和空间解析几何，推导了热管中心线方程和吸热表面方程及内腔曲面方程。在此基础上，建立了针对管簇式吸热器光-热转换特性联合仿真模型。.2）新型回热器设计与换热特性。设计了一种丝网填料和球状体填料结合的新型斯特林热机回热器，并以此回热器为目标，以局部热平衡方法探究了这种回热器在压降，速度传导，传热性能方面和单纯以丝网为填料的回热器之间的优劣性。基于非局域热平衡理论，构建了三维多孔介质动量方程与能量方程。以数值模拟的方法，探讨了回热器长度和分层，入口速度，填充介质孔隙率，气体工质材料以及填充丝网目数等因素，对于斯特林发动机回热器温度场分布的影响规律。.3）斯特林热机工质流动与换热分析。采用实用等温分析法和三级节点分析方法，对斯特林热机工质流动和换热进行了比较精确的工程计算。提出了综合牛顿拉夫逊迭代和后向差分的数值求解算法，得到了较为精确的工质流场特性和扭矩特性分布。并据此设计了斜盘驱动机构的关键部件非正交锥齿轮和液压行程转换器。.4）斯特林热机专用实验台研制与现场测试。开展了针对管簇式吸热器的实验系统设计工作，并与合作企业湘电集团在这一方面开展了零部件试制，实验系统开发以及现场测试等工作，初步验证了这些工作的实用性。.本项目共发表论文17篇，SCI 3篇，EI 10篇，申请发明专利5项，获批4项。