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所长基金重点培育项目“碟式太阳能空气涡轮发电系统关键技术研制”简介(下)
发稿时间:2013-12-23         作者:文/林峰 高立朋 图/王墩金          来源:能源动力研究中心     【字号:

  上期我们对所长基金重点培育项目“碟式太阳能空气涡轮发电系统关键技术研制”的研究背景、研究内容及拟解决的科学问题进行了详细阐述,本期将就项目的技术路线、研究方案和研究成果等做介绍。 

  本项目是研究所“一三五”重点培育方向“太阳能热利用技术”的主要项目之一,由能源动力中心具体组织实施,执行期为201212月至201512月。项目负责人为林峰研究员,研究团队共计10人,其中高级职称4人,外聘实验室技术工人1人。 

  技术路线 

  本项目采用理论分析、数值模拟、工程设计、试验平台搭建和试验调试验证相结合的研究方法。由于项目研制时间较短,需要解决的难点较多,研究团队在对国外类似技术分析、消化的基础上,吸收国外最新研究成果,学习与创新相结合,高起点研究具有自主知识产权的碟式太阳能空气涡轮热发电系统中的关键技术,具体技术路线如下: 

  国外类似设备技术摸底现有设计方法技术校核à关键部件设计、试验及改进à设备组装、集成及测试à整体考核、验收。 

    

  项目实施方案 

  第一阶段,自主开发Matlab太阳能热发电系统总体性能计算程序,确定50KW碟式太阳能热发电系统的总体技术方案、空气涡轮机各部件和各附属设备的具体技术和经济指标,制定出具体的设计、研制、试验、制造相协调的方案; 

  第二阶段,在充分分析和调研的基础上,引进国外较高水平的吸热器技术,并进行必要的分解和解剖,对其结构和制造工艺进行分析和研究,掌握并消化其先进的设计理念、方法和制造工艺,为自主设计和制造吸热器打好基础。在已掌握的现有经验和技术的基础上,根据项目的性能指标,对高效太阳能吸热器进行热力学、结构设计和工艺分析,完成吸热器研制方案和试验方案设计。在此期间,利用企业捐献的太阳能聚光系统,搭建太阳能吸热器的试验验证平台;同时完成离心压气机和向心涡轮的方案设计、气动与结构设计,以达到高压比、高效率的性能要求; 

  第三阶段,完成压气机、涡轮和吸热器的性能试验,考核这三项关键部件的性能指标。 

    

  预期成果 

  1、研制出高压比、小流量的离心压气机,压比大于4.0,效率不低于75%,裕度大于11% 

  2、研制出高膨胀比、高效的向心涡轮,膨胀比大于3.5,效率不低于81% 

  3、掌握高效太阳能吸热器的设计制造技术,吸热器光-热转换效率不低于78%,压损小于10% 

  4、申请实用新型专利1项,发明专利1项; 

  5、培养博士研究生1名,硕士研究生1名。 

    

  阶段性成果 

  碟式太阳能空气涡轮发电系统采用布莱顿循环(见1),空气经过压气机升压,进入回热器回收涡轮出口高温空气的部分热量,然后进入太阳能空气吸热器继续升温,最后进入涡轮发电并排入大气。 

 

  由于太阳能具有间歇性,使得太阳能的输入很不稳定,相应的空气轮机系统会经常在变工况下运行,对压气机和涡轮的稳定性提出了较高的要求。根据空气涡轮发电系统的设计要求,最终设计出来的压气机为单级离心压气机,包含离心叶轮和有叶扩压器(见图2),经全三维CFD(计算流体力学)数值校核,设计结果满足要求。径流式涡轮具有较宽的运行范围和较高的效率,重量轻,叶片少,结构简单可靠,非常适合用在新能源热功转换设备中。因此,该太阳能空气轮机涡轮采用了径流式的整体结构形式(见图3),通过S1/S2正反问题的计算程序,完成一维子午流道设计、二维叶片型线优化、三维叶片弯扭成型,最后通过全三维CFD数值模拟,确定其性能完全达到总体要求。设计过程中,我们充分考虑了太阳能波动带来的变工况问题,设计的涡轮不仅在设计工况下具有较高的效率,在其他工况下也能表现出较好的性能。 

 

  根据空气涡轮发电系统要求的吸热器出口温度和吸热量,经过一年多的努力,我们初步完成了低温管式吸热器和高温陶瓷吸热器的设计与测试。在管式吸热器方面,初步设计的低温管式吸热器(见图4)最高效率达88%,吸热管末尾温度分布均匀。由于该吸热器依旧存在出口温度过低、局部温度过高等缺点,研究团队在二次设计中充分考虑了吸热器内部的能量密度分布,将吸热器设计为等温吸热壁面,以有效提高吸热器出口温度。在高温陶瓷吸热器方面,通过多次试验,已解决吸热器在高温密封及石英玻璃冷却问题,但如何避免石英窗口因热应力过高而破碎的问题还有待进一步研究,这将是高温陶瓷吸热器下一步研发的工作重点。 

  本项目培养了博士研究生、硕士研究生各1名,以及1名德国汉诺威大学的硕士交换生,申请实用新型专利1项,发明专利1项,较好地完成了阶段性目标。目前各项工作进展顺利,接下来研究团队将对管式吸热器进行二次测试,同时对高温陶瓷吸热器展开进一步研发设计,预计201510月份完成对压气机、涡轮及吸热器等关键部件的整装与测试,201512月份完成项目验收。 

 
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