作者：2018級(jí)本科生 陶晨越 能源與動(dòng)力工程系
李曉曄 能源與動(dòng)力工程系
陳旭華 能源與動(dòng)力工程系
安博洋 航天航空學(xué)院
指導(dǎo)老師：楊震 能源與動(dòng)力工程系
關(guān)鍵詞：太陽能 發(fā)電裝置
摘要
在能源需求日益增長(zhǎng)的今日，太陽能作為清潔且儲(chǔ)量大的可再生能源，漸漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。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(duì)當(dāng)前太陽能熱發(fā)電技術(shù)中存在的主要缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，希望制作出一種高效便攜的新型太陽能發(fā)電裝置。
研究背景
太陽能，作為可再生能源中儲(chǔ)量最豐富，分布最普遍，最易獲取的一種能源，無疑是替代化石燃料最理想的能源之一。目前，在太陽能的利用上，主要有光伏發(fā)電及熱發(fā)電兩種形式。
現(xiàn)有的太陽能熱發(fā)電形式主要有塔式，碟式和槽式。它們共有的特點(diǎn)是需要建設(shè)規(guī)模較大的熱電站，在應(yīng)用上不夠靈活。此外，現(xiàn)有的熱發(fā)電技術(shù)中的熱力循環(huán)，出于對(duì)汽輪機(jī)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。因此，針對(duì)當(dāng)前熱發(fā)電中的兩種主要缺陷，我們希望能設(shè)計(jì)一種裝置對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。這種理想裝置應(yīng)當(dāng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，單元體積小但容易集成，使用靈活，且循環(huán)效率能突破朗肯循環(huán)的限制等優(yōu)點(diǎn)。
作品結(jié)構(gòu)
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(jìn)而直接對(duì)水進(jìn)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(jìn)行熱交換。
工作原理
在整個(gè)裝置工作的過程中，凹面鏡將太陽光聚焦在泡沫銅塊下端。銅塊吸收太陽能，加熱其中心區(qū)域內(nèi)孔隙中的水。水受熱蒸發(fā)，產(chǎn)生強(qiáng)大的蒸汽流，帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，葉片上固定的磁體也隨之旋轉(zhuǎn)，通過電磁感應(yīng)，在裝置外的線圈中產(chǎn)生電流。水蒸氣在通過葉片后，在裝置頂端冷凝成水珠，沿杯壁流回杯底，并被銅塊外圍區(qū)域的孔隙重新吸收，從而在裝置內(nèi)形成循環(huán)。通過這樣一種裝置，我們便實(shí)現(xiàn)了由熱，到機(jī)械功，再到電的轉(zhuǎn)換。從理論上來說，這個(gè)裝置的循環(huán)效率可以無限接近于卡諾循環(huán)，打破了朗肯循環(huán)效率限制的壁壘。
圖片格式：
圖1 現(xiàn)有的太陽能熱電站，上為塔式下為碟式
當(dāng)前成果
目前，該項(xiàng)目已經(jīng)取得了如下進(jìn)展：
1、通過對(duì)重力式熱管及自然界水循環(huán)原理的觀察與借鑒，完成了對(duì)裝置熱力循環(huán)過程的設(shè)計(jì)，并通過初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一熱力循環(huán)過程。
2、對(duì)該裝置的光熱轉(zhuǎn)化效率及熱電轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行了計(jì)算，證明了該裝置的的理論效率可以突破朗肯循環(huán)的限制，從轉(zhuǎn)化效率上驗(yàn)證了這一裝置的可行性。
3、對(duì)裝置各部分零件的規(guī)格進(jìn)行了設(shè)計(jì)，完成了裝置的簡(jiǎn)略建模，進(jìn)行了絕大部分零件的采購(gòu)。
4、設(shè)計(jì)出第一版實(shí)驗(yàn)方案，準(zhǔn)備在完成組裝后開始實(shí)驗(yàn)。
圖2 本作品熱力循環(huán)原理圖
圖3 本作品簡(jiǎn)易模型（不包括外部聚光裝置及內(nèi)部漸縮式流道）
未來規(guī)劃
1、待零件配齊后對(duì)裝置進(jìn)行整體組裝，并開展實(shí)驗(yàn)。
2、通過實(shí)驗(yàn)重新測(cè)量出實(shí)際的熱電轉(zhuǎn)化效率，與理論計(jì)算值進(jìn)行比對(duì)，分析出效率損失的環(huán)節(jié)。
3、重復(fù)對(duì)裝置進(jìn)行迭代改進(jìn)，提高裝置的效率與安全性。
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