重力热管式新型太阳能发电装置

作者：陶晨越 能源与动力工程系 

指导老师：杨震 能源与动力工程系 

关键词：重力热管式；太阳能发电；中低温热源利用

摘要

在能源需求日益增长的今日，太阳能作为清洁且储量大的可再生能源，渐渐成为人们关注的焦点。太阳能目前主要的利用形式包括光伏发电和热发电。本作品针对当前太阳能热发电技术中存在的主要缺点进行改进，希望制作出一种高效便携的新型太阳能发电装置。

研制背景及意义

现有的太阳能热发电形式主要有塔式，碟式和槽式。它们共有的缺点是需要建设规模较大的热电站，在应用上不够灵活。现有的热发电技术中的热力循环，出于对汽轮机叶片的承受能力等方面考虑，不得不普遍采用朗肯循环，这也从理论上限制了现有热电技术的效率。此外，在工业生产和生活中，存在着包括中低温太阳能在内的大量中低温热能，例如地热能及工业余热等。这些热源的储量大、分布广，但由于其温度较低的特性，目前对其利用并不充分。因此，针对当前热发电中的几种主要缺陷，我们希望能设计一种装置对其进行改进。

图1 世界能源消费量增长趋势

设计方案

受到热管循环的启发，在热管两端相变区温度恒定，中间段会由形成高速蒸汽。利用这部分能量发电，我们设计出一种小型热动转换装置来利用太阳能。

图2 太阳能重力热管工作过程示意图

装置整体呈圆柱状，其外壁及底座均由玻璃制成，玻璃底座可以使阳光直接照射在盛装在容器中水的底面，进而直接对水进行加热，提高了太阳能的利用效率。底部放一块多孔金属，该泡沫铜块可以起到吸水作用，通过吸附压力增大蒸发端与冷凝端的气压差。在装置的内部安装渐缩式气体流道。在该渐缩式流道的上方，有一直径略小于流道上径的叶片。该叶片由一根金属轴与该装置的上盖连接。该上盖由金属制成，以便于水蒸气与外界空气之间进行热交换。

图3 装置模型图

在中低温温限下，如果采用水蒸气的郎肯循环，对应图4中的热力循环为蓝色循环。而我们的装置理想情况可以达到黑色循环，对比图中的平均温度可以看出，在中低温热源的条件下循环效率有所提升。

图4 装置热力循环过程T-S图

创新点及应用

本作品结构较为简单，各部分组件均为常见材料，工质为水，生产成本较低。相比于需要高温热源的大规模热电站，本作品应用场景规模可大可小，对热源的要求也降低很多，无需昂贵的集热设备即可使用。

本作品适用于200℃以下中低温热源，在工业和生活中，存在着大量得不到有效利用的中低温热能，因此本作品的应用场景非常广泛。此外，本作品具有结构简单，单元体积小但容易集成的特点，成本较低，使用难度小，因此具有较好的商品化前景。