碟式斯特林太阳能热发电系统碟面阵列的最优布局方法

摘要

随着经济的高速发展，能源和生态问题日益突显，开发对环境友好的新能源迫在眉睫。以太阳能发电为主要形式的太阳能技术是各国新能源开发战略的焦点之一。太阳能发电主要分为太阳光伏发电和聚光热发电。其中，碟式聚光热发电技术因为发电效率高、对环境污染小等优点受到社会的广泛关注。但由于技术不成熟、建设成本较高、经济效益相对较低等原因，碟式斯特林太阳能热发电技术仍未被广泛使用。
　　本文以美国SES公司25kW碟式斯特林太阳能热发电系统为对象，研究光热电站建设中各聚光（碟面）单元位置分布与由于碟面相互遮挡而引起的聚光效率损失之间的关系，提出在给定土地使用率条件下获得最佳聚光效率的碟面布局方法，从而提高电站运行效率。主要工作和成果如下:
　　1.建立数学模型，提出快速计算碟面阴影遮挡率的计算机求解方法。根据抛物面型碟面聚光器的原理（主轴指向太阳），建立以碟面为原点、指向太阳方向为z'轴的本地坐标系，将邻居碟面转化到本地坐标系，获得不依赖太阳位置的阴影形状描述，即聚光镜面沿其主轴的投影形状;根据阴影遮挡的原理:靠近太阳方向上的碟面才能产生遮挡，选择可能产生阴影的邻居碟面，从而减小计算量;结合斯特林发动机的太阳辐射响应特性，提出碟面年度有效阴影遮挡百分比，建立起描述由于相互遮挡造成聚光效率损失的参数表示。
　　2.建立不同碟面分布方法的参数表示，提出求解全局最优化碟面分布的方法。以矩形碟面布局为基础，本文引入碟面纵向相对偏移、逆时针旋转和缩放比例三个参数。在土地使用率不变的情况下，本文令矩形最优化碟面分布在参数空间（碟面列间距，偏移，旋转）进行变换得到不同的碟面阵列并计算阵列的年度有效阴影遮挡百分比，值最小的阵列为最优化碟面布局;同时对矩形非最优碟面阵列进行变换，得到各阵列优化后的碟面布局，并与上述的最优化碟面布局进行对比，得到全局最优化分布。同时，对碟面单元（相邻的四个碟面）进行分析，得到结论:年度有效阴影遮挡百分比与碟面东西方向的有效列间距呈负相关的线性关系。
　　3.结合不同地区的经纬度和光照资源情况，分析最优化碟面布局的特性，提出影响光热电站选址的参考因素。结合不同地区的气象数据，本文利用数学模型计算出不同城市最优化碟面布局的年度有效阴影遮挡百分比，并得到年度有效阴影遮挡百分比随碟面东西方向有效列间距的变化率。在此基础上，本文分析碟式太阳能热发电系统所安装地点的经纬度和光照资源对最优碟面布局的变化率的影响，得到结论:在光照资源更丰富的地区安装碟式斯特林太阳能热发电系统会获得额外的效益，而系统安装地点的经纬度不影响系统的效益。
　　最后，对全文进行总结，并对以后的研究工作提出展望。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究思路及创新点

1．3．1 论文框架

1．3．2 论文的成果及创新点

第2章 碟式斯特林太阳能热发电系统简介

2．1 太阳能热发电原理介绍

2．2 斯特林发动机介绍

2．2．1 斯特林循环

2．2．2 斯特林发动机特性

2．3 碟式聚光器介绍

第3章 太阳能光热电站碟面阵列分布优化方法

3．1 数学模型

3．2 矩形分布下的最优化计算

3．3 全局最优化碟面分布方法

第4章 最优化碟面阵列布局的特性

4．1 经纬度对最优化碟面布局的影响

4．2 光照资源对最优化碟面布局的影响

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果