工程热力学论文

目录

太阳能热机发电 (2)

前言 (2)

一、太阳能发电类型 (2)

1.1. 太阳光发电（亦称太阳能光发电） (2)

1.2. 发电（亦称太阳能热发电） (2)

二、太阳能热机发电原理 (2)

2.1.能热机发电系统 (2)

三、热力学分析 (3)

四、前景展望 (9)

太阳能热机发电

前言

太阳能是一种干净的可再生的新能源，越来越受到人们的亲睐，在人们生活、工作中有广泛的作用，其中之一就是将太阳能转换为电能，太阳能电池就是利用太阳能工作的。而太阳能热电站的工作原理则是利用汇聚的太阳光，把水烧至沸腾变为水蒸气，然后用来发电。

一、太阳能发电类型

1.1.太阳光发电（亦称太阳能光发电）

太阳能光发电是将太阳能直接转变成电能的一种发电方式。它包括光伏发电、

光化学发电、光感应发电和光生物发电四种形式，在光化学发电中有电化学光伏电

池、光电解电池和光催化电池。

1.2.发电（亦称太阳能热发电）

太阳能热发电是先将太阳能转化为热能，再将热能转化成电能，它有两种转化方式。一种是将太阳热能直接转化成电能，如半导体或金属材料的温差发电，真空器件中的热电子和热电离子发电，碱金属热电转换，以及磁流体发电等。另一种方式是将太阳热能通过热机（如汽轮机）带动发电机发电，与常规热力发电类似，只不过是其热能不是来自燃料，而是来自太阳能。今天我们主要来看一下太阳能热能发电的第二种情况——通过热机发电。

二、太阳能热机发电原理

2.1.能热机发电系统

2.1.1.太阳能蒸发器太阳能真空管、联集箱、导管、控制阀、安全阀、保温箱体、冷却器；

热机（活塞式发动），主要包括发动机箱体、活塞、连杆、曲轴、进排气阀、控制凸轮、发电机等。

2.1.2.原理

太阳能集热器内装有介质，集热管吸收太阳辐射使介质蒸发，产生高温高压蒸汽，这种高温高压蒸汽

经管路进入热机，热机曲轴连接着活塞，高压蒸汽的膨胀使活塞通过连杆对曲轴做功，曲轴的一端连接发电机，发电机随曲轴同步旋转，产生电流。热机在进气阀和排气阀的作用下使高温蒸汽变为低温低压蒸汽，并通过排气阀排出，排出的蒸汽的温度仍然很高，需要进入冷却箱冷却成液体，液体进入注射阀，补压进蒸发器回用。

所以说，其实太阳能热机发电其实就是简单的将太阳能转化为热能之后利用热机将热能转化为机械能最终转化

为电能。

所以说我们要想更加高效率的利用太阳能最好

的方法意一是：在根本上增加光能的吸收效率，但

这与热力学知识无关我们不做探讨。二是提高热能

的利用效率。

三、 热力学分析

就最原始的动力的循环可知

所以，如果我们想要提高热能的利用率，我们就要增加净功量——即增加热能的吸收，即降低q1。

net t 11w q η=

<

有最原始的热力学分析我们可以简单地得出，如果要提高热机效率，原则上必须增加热量的输出，降低热量的流失，（即火用的升高，火无的降低。）所以我们在进行太阳能利用时可以寻找新的材料，提高热能的吸收。而另一个途径就是降低热量的流失，就此我们不妨看一下卡诺循环，以此来了解一下理想气体提高热效率的途径有哪些。

T 1 失去Q 1– Q 2

T 2 无得失

热机净输出功W net = Q 1– Q 2 net 12233441

w w w w w ----=+++1g 1212111R T p w p κκκ--⎡⎤⎛⎫⎢⎥=- ⎪⎢⎥-⎝⎭⎢⎥⎣⎦

讨论：

第二类永动机不可能实现

由卡诺循环我们可以很明显的看出提高热机效率的方法：提高吸热环境的温度，降低放热环境的温度。但是在实际应用中还用很多因素影响热机效率：

但是在实际应用中提高吸热环境的温度和降低放热环境的温度几乎无法实现，或者在实现过程中热损失与热效率的提高已不成正比，所以在太阳能热发电领域更多的在研发不同的发热发电系统，下面我们就看一下塔式发电系统的热损失和火用效率吧！

2.6两种腔式吸热器的性能比较

改良型腔式吸热器具有良好的热力学性能,相比于一般的吸热器而言,其辐射和对流换热损失较小。因此，我们选取25kW碟式斯特林太阳能热发电系统中常用的圆柱形吸热器，与这种新型的腔式吸热器进行了性能比较。

2.6.1热损失

我们根据表2.1提供吸热器的参数，分别计算出改良半球形吸热器与普通圆柱吸热器的热损失，计算结果如表2.4、2.5所示。

改良半球形吸热器的优点就是随着吸热器内表面积的增大，整个吸热器体积将增大，进入采光口的光线将在吸热器内进行多次反射，有助于减小吸热器的辐射热损失；并且随着吸热器体积将增大，进入吸热器内部的空气会增多，而吸热器内部的温度场将趋于均匀，有助于减小吸热器的对流换热损失。在系统聚光比已定的情况下，腔式吸热器的开口面积就已确定。因此，吸热器内表面积与开口面积的比值将决定吸热器内表面积的大小，也是影响改良型腔式吸热器吸热性能的关键性因素。

如表2.4所示，随着腔式吸热器内表面积与开口面积比值（Aw/Al)的增大，改良半球形腔式吸热器的对流换热损失呈逐渐减小的趋势，但减小的趋势则越来越缓慢。而普通圆柱形腔式吸热器的对流换热损失则呈一定比例明显增大。另外，从表2.5可以看出随着吸热面积与开口面积比值的增大，改良半球形吸热器的辐射热损失同样逐渐减小，其减小的趋势也呈放缓状，而普通圆柱形吸热器的辐射热损失则是稍有增大。这是由于随着改良型腔式吸热器体积的增大，进入到吸热器内部的空气会增多，其内部温度场的分布会越来越均匀，而由温度分布不均那部分引起的热损失就会越来越小，所以随着腔式吸热器内表面积与开口面积比值的增大，改良型腔式吸热器的热损失就会呈现以上的趋势。从图2.5中可以看到改良型腔式吸热器的热损失远小于普通圆柱形腔式吸热器，只有普通圆柱形腔式吸热器的一半左右，并且随着吸热器内表面积与开口面积的比值（Aw/Al)的增大，两者的差距逐渐增大。当（Aw/Al)为8时，改良型腔式吸热器的对流热损失和辐射热损失分别为普通圆柱形吸热器的56.3%和38.6%，而这两种热损失之和只有普通圆柱形