重力熱管式新型太陽能發(fā)電裝置
作者：陶晨越 能源與動力工程系
指導老師：楊震 能源與動力工程系
關(guān)鍵詞：重力熱管式；太陽能發(fā)電；中低溫熱源利用
摘要
在能源需求日益增長的今日，太陽能作為清潔且儲量大的可再生能源，漸漸成為人們關(guān)注的焦點。太陽能目前主要的利用形式包括光伏發(fā)電和熱發(fā)電。本作品針對當前太陽能熱發(fā)電技術(shù)中存在的主要缺點進行改進，希望制作出一種高效便攜的新型太陽能發(fā)電裝置。
研制背景及意義
現(xiàn)有的太陽能熱發(fā)電形式主要有塔式，碟式和槽式。它們共有的缺點是需要建設(shè)規(guī)模較大的熱電站，在應用上不夠靈活?，F(xiàn)有的熱發(fā)電技術(shù)中的熱力循環(huán)，出于對汽輪機葉片的承受能力等方面考慮，不得不普遍采用朗肯循環(huán)，這也從理論上限制了現(xiàn)有熱電技術(shù)的效率。此外，在工業(yè)生產(chǎn)和生活中，存在著包括中低溫太陽能在內(nèi)的大量中低溫熱能，例如地熱能及工業(yè)余熱等。這些熱源的儲量大、分布廣，但由于其溫度較低的特性，目前對其利用并不充分。因此，針對當前熱發(fā)電中的幾種主要缺陷，我們希望能設(shè)計一種裝置對其進行改進。
圖1 世界能源消費量增長趨勢
設(shè)計方案
受到熱管循環(huán)的啟發(fā)，在熱管兩端相變區(qū)溫度恒定，中間段會由形成高速蒸汽。利用這部分能量發(fā)電，我們設(shè)計出一種小型熱動轉(zhuǎn)換裝置來利用太陽能。
圖2 太陽能重力熱管工作過程示意圖
裝置整體呈圓柱狀，其外壁及底座均由玻璃制成，玻璃底座可以使陽光直接照射在盛裝在容器中水的底面，進而直接對水進行加熱，提高了太陽能的利用效率。底部放一塊多孔金屬，該泡沫銅塊可以起到吸水作用，通過吸附壓力增大蒸發(fā)端與冷凝端的氣壓差。在裝置的內(nèi)部安裝漸縮式氣體流道。在該漸縮式流道的上方，有一直徑略小于流道上徑的葉片。該葉片由一根金屬軸與該裝置的上蓋連接。該上蓋由金屬制成，以便于水蒸氣與外界空氣之間進行熱交換。
圖3 裝置模型圖
在中低溫溫限下，如果采用水蒸氣的郎肯循環(huán)，對應圖4中的熱力循環(huán)為藍色循環(huán)。而我們的裝置理想情況可以達到黑色循環(huán)，對比圖中的平均溫度可以看出，在中低溫熱源的條件下循環(huán)效率有所提升。
圖4 裝置熱力循環(huán)過程T-S圖
創(chuàng)新點及應用
本作品結(jié)構(gòu)較為簡單，各部分組件均為常見材料，工質(zhì)為水，生產(chǎn)成本較低。相比于需要高溫熱源的大規(guī)模熱電站，本作品應用場景規(guī)?？纱罂尚?，對熱源的要求也降低很多，無需昂貴的集熱設(shè)備即可使用。
本作品適用于200℃以下中低溫熱源，在工業(yè)和生活中，存在著大量得不到有效利用的中低溫熱能，因此本作品的應用場景非常廣泛。此外，本作品具有結(jié)構(gòu)簡單，單元體積小但容易集成的特點，成本較低，使用難度小，因此具有較好的商品化前景。
