基于菲涅尔透镜聚热器的太阳能原动机研究

发布时间：2020-07-07 22:09

【摘要】：太阳能是可再生能源中分布最为广泛,取用最为便捷,储量最为丰富,因此太阳能在未来能源结构中势必将占有重要的地位。本篇论文旨在设计一套模型,期望其可以对太阳能经热能—机械能途径进行应用的可行性进行验证,选用平面型点聚焦菲涅尔透镜,通过折射聚焦的方式,将太阳能转变为热能;双缸直列的α型斯特林发动机作为原动机将热能转化为机械能加以利用,同时设计了太阳追踪系统和辅助加热装置以提高整套模型的太阳能利用率。论文主要内容包括:基于统一设计公式推导出平面型点聚焦菲涅尔透镜设计公式,完成透镜每个环棱的高度角的计算,之后采用直接推算法得出的公式进行验算;利用TracePro软件对透镜进行虚拟仿真,从而得到透镜的最佳环踞、焦距内径比以及最佳光线入射角度。根据所得出的结论,设计了直径为360mm,焦距为400mm,环踞为0.5mm的平面型点聚焦菲涅尔透镜作为聚热器,并对其进行虚拟仿真,得出结论:在现实应用中,应尽可能确保阳光垂直射入镜面,同时选择透镜焦点处作为热能利用点。根据斯特林发动机的工作原理,设计了一台小型双缸直列α型斯特林发动机模型作为原动机,采用中心曲柄连杆机构进行机械能的输出。设计一套南北方向倾斜布置(手动调节),东西方向自动追踪(光电追踪)的太阳追踪系统:(1)合理设计聚热器支架的安装位置和结构,使透镜中心的运动轨迹近似在以焦点为球心,焦距为半径的球面上,在保证阳光垂直入射的同时,焦点位置保持不变。(2)在东西方向的光电追踪,选用光敏二极管作为光照传感器进行光电信号的转换,合理设计追踪传感单元的结构,保证能够准确感知光线入射角度的变化。(3)控制单元以AT89C51单片机和LM324芯片为主体,利用LM324芯片内的运算放大器完成不同光照条件下电信号的比较与判断;使用PNP三极管控制电磁继电器的启闭,进而控制电机的转动;设计控制策略,并使用C51程序语言完成相关程序代码的编写。设计辅助加热装置,在光照强度不足时,继续驱动斯特林发动机工作。选用硫酸镁质量分数为15%的硫酸镁沸石混合物作为热能—化学能存储材料,从而达到节约能源的目的。斯特林发动机飞轮端带动小型直流发电机运转,使用电流表和电压表测量发电功率。制作了菲涅尔透镜和斯特林发动机模型进行实验测试,并计算太阳能利用率。通过实验对样品及模型进行了测试与分析,初步证明了设计方案的可行性。将来,以此思路所设计出的成熟产品将在偏远海岛以及远洋工程平台上会拥有广阔的市场空间。
【学位授予单位】：集美大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK51
【图文】：

对比图,与非,对比图,模式

硕士学位论文基于菲涅尔透镜聚热器的太阳能原构简单，使用可靠，寿命极长，是理想的空间发电系统[36]。特林发动机作为一种在多个领域都存在成熟应用机型的外燃机，因其可具且效率高的特点，完全可以作为太阳能应用领域中，将热能转化为机械能阳追踪系统发展现状阳光线射向水平地面时始终存在着一个高度角和一个方位角，且太阳高度随时间的改变而时刻变化。太阳追踪系统可以确保设备始终正对太阳方向阳能的利用效率。香港大学建筑系的 K.P. Cheng 同 S.C.M Hui 教授一起对太阳能接收率的关系进行了研究,通过理论分析表明对太阳光线运动的跟踪能设备对能量的接收率相差 37.7%[37]。追踪模式与非追踪模式接受光线照图 1-2 所示。

原理图,菲涅尔透镜,原理图,透镜

集美大学硕士学位论文基于菲涅尔透镜聚热器的太阳能原动机研第 2 章菲涅尔透镜聚热器研究法国物理学家 Augustine Jean Fresnel 在 1822 年发明了一种新型的透镜，其原理为：线透过曲面透镜时，仅在其光学表面发生路径的改变即折射，因此可以尽可能地减少光材料的使用量，只需保留光学表面，其原理如图 2-1 所示。这种具有制造方便、重量轻成本低、厚度薄、聚光效果好等优点的透镜被命名为菲涅尔透镜。如图 2-2 所示，为菲尔透镜实物图。

菲涅尔透镜,实物,透镜

【相似文献】