碟式斯特林太阳能热发电系统设计Ⅰ——集热器设计计算.pdf

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碟式／斯特林太阳能热发电系统设计I

——集热器设计计算数学模型

李鑫，李斌，臧春城，郑飞。李安定
(中国科学院电工研究所，北京1oo080)

摘要：在碟式斯特林太阳能热发电系统没有商业运行以前，无法得到国外已有系统设计方法的情况下，提出
了以能量守恒方程和集热器光学特性为基础的设计计算数学模型，并使用估算和核算相结合的方法进行了设
计计算。计算结果与现有系统参数吻合良好。
关键词：碟式／斯特林太阳能热发电系统；集热器；设计
中图分类号：TM615文献标识码：A文章编号：1004—3950(2004)04—0021—04

Dish／stirlingsolarpowersystemdesign

Part1：themathematicalmodelforconcentratordesign
LIXin，LIBin，ZANGChun—cheng，ZHENGFei，LIAn-d~
(InstituteofElectricalEngineering，C}IineseAcademyofSciences，Beijing100080，China)
Abstract：Basedontheconservationofenergyandtheopticalcharacteristicsofconcentrator，amathematicalmodelforcon—

centratordesignwasestablished．3hecalculationresultswerewellfittedtoseveralsuccessfulsolarpowersystems．Itisindi—

catedthatthemodelissimple，eficientandcallbeusedinsolarpowersystemdesign．

Keywords：dish／stirhngsolarpowersystem；mathematicalmodel；concentrator；design

热器的尺寸是集热器设计的关键。但是，鉴于上
0前言
述碟式斯特林热电系统的发展现状，我们尚无法
太阳能热发电系统主要有3种形式：槽式抛得到国外的设计资料。虽然美国威斯康星大学开
物面、塔式和碟式抛物面系统。其中碟式斯特林发的TRNSYS软件可以进行模拟计算，但无法用
热电系统具有较高的光学效率和较低的跟踪误于设计计算ll。同时，由于商品软件对于客户的
差，并采用了高效率的斯特林机，从而具有较高的约束，以及我国开发自主知识产权的碟式太阳能
热电转换效率。同时，由于其模块化的设计，碟式热发电的需要，有必要建立我国自己的设计方法。
斯特林热电系统既可以作为分布式发电系统在边本着简捷高效的设计原则，本文以能量守恒方程
远地区单独使用，也可以建成兆瓦级的电站并网为基础，结合抛物面光学特性，建立了设计计算的
发电。近20年来，它在西方发达国家得到了迅速数学模型，并采用试算和迭代核算相结合的方法，
发展，单元系统的容量从2kW发展到50kW。目对集热器的尺寸进行了计算。
前正在向商业化方向发展的碟式斯特林系统主要
l数学模型的建立
有4个：美国的SAIC／S，聊、SES、WGA系统和欧洲
的SBP系统。但是，这些系统都只限于示范，也聚光镜收集太阳光将其反射到吸热器，在吸
就是商业运行前的测试阶段【I。。。热器中形成750c【=或更高的温度，由此将太阳能
碟式太阳能集热器是热电系统中太阳能向热转换为热能。这个过程应满足能量守恒的原理。
能转换的关键部分。科学合理地确定聚光镜和吸能量守恒方程：

收稿日期：2OO4—03—11
作者简介：李鑫(1975一)，男，山东枣庄人，工学博士，主要从事太阳能热发电和太阳能中高温热利用方面的研究工作。
2004~能源工程一21—

Qusful=Ib．,AppE(cos0i)磁一A[(显然要使方程(12)有意义，应有1—1．
a3，lapp
一1b)+盯F(z。一z。1b)](1)
>0，所以
式中第一项为聚光镜收集并反射到吸热器的
太阳能，第二项为吸热器的散热损失。Aa；·App(13)
令：由于A=0时，=Q“>0
所以，当A。=a；·App时，式fA<0成立，
al=Ib,nCOSi)m(2)
a2=U(一1b)+F(z一z。1b)(3)才能满足连续函数介值定理，方程有解。所以：
可以得到：>等(14)
fA=Qeful—alAapp+a2A。(4)
这样，通过方程(13)和(14)就可以确定聚光
面积和焦距是聚光镜的重要结构参数。在通
镜和吸热器的取值范围，从而就可以使用估算聚
常情况下，以焦径比来表示聚光镜的结构。它和张
光镜面积并试算吸热器面积的方法，计算满足设
角满足公式(5)。
计条件的聚光镜和吸热