作者：2018级本科生 陶晨越 能源与动力工程系
李晓晔 能源与动力工程系
陈旭华 能源与动力工程系
安博洋 航天航空学院
指导老师：杨震 能源与动力工程系
关键词：太阳能 发电装置
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。
研究背景
太阳能，作为可再生能源中储量最丰富，分布最普遍，最易获取的一种能源，无疑是替代化石燃料最理想的能源之一。目前，在太阳能的利用上，主要有光伏发电及热发电两种形式。
现有的太阳能热发电形式主要有塔式，碟式和槽式。它们共有的特点是需要建设规模较大的热电站，在应用上不够灵活。此外，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。因此，针对当前热发电中的两种主要缺陷，我们希望能设计一种装置对其进行改进。这种理想装置应当具有结构简单，单元体积小但容易集成，使用灵活，且循环效率能突破朗肯循环的限制等优点。
作品结构
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。
工作原理
在整个装置工作的过程中，凹面镜将太阳光聚焦在泡沫铜块下端。铜块吸收太阳能，加热其中心区域内孔隙中的水。水受热蒸发，产生强大的蒸汽流，带动叶片旋转，叶片上固定的磁体也随之旋转，通过电磁感应，在装置外的线圈中产生电流。水蒸气在通过叶片后，在装置顶端冷凝成水珠，沿杯壁流回杯底，并被铜块外围区域的孔隙重新吸收，从而在装置内形成循环。通过这样一种装置，我们便实现了由热，到机械功，再到电的转换。从理论上来说，这个装置的循环效率可以无限接近于卡诺循环，打破了朗肯循环效率限制的壁垒。
图片格式：
图1 现有的太阳能热电站，上为塔式下为碟式
当前成果
目前，该项目已经取得了如下进展：
1、通过对重力式热管及自然界水循环原理的观察与借鉴，完成了对装置热力循环过程的设计，并通过初步实验验证了这一热力循环过程。
2、对该装置的光热转化效率及热电转化效率进行了计算，证明了该装置的的理论效率可以突破朗肯循环的限制，从转化效率上验证了这一装置的可行性。
3、对装置各部分零件的规格进行了设计，完成了装置的简略建模，进行了绝大部分零件的采购。
4、设计出第一版实验方案，准备在完成组装后开始实验。
图2 本作品热力循环原理图
图3 本作品简易模型（不包括外部聚光装置及内部渐缩式流道）
未来规划
1、待零件配齐后对装置进行整体组装，并开展实验。
2、通过实验重新测量出实际的热电转化效率，与理论计算值进行比对，分析出效率损失的环节。
3、重复对装置进行迭代改进，提高装置的效率与安全性。
外部链接：https://mp.weixin.qq.com/s/bhM9hDq4-un1pzKZY0gYrQ 作品中期成果推送展示
