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大学生创新训练计划,车辆也能源学院 热能与动力工程1班 刘冲,项目资料,项目名称： 基于“陈氏”理论的家用太阳能热电系统的研究,项目负责人： 刘冲,指导老师：关雪梅,项目起止时间： 2013年9月至2014年10月,项目负责人：刘冲 项目成员：刘晖 热能与动力工程1班 霍明来 热能与动力工程1班,项目成员,立项背景,对于现在已有的太阳热电系统，所竭力“推崇”的三种技术路线，“槽式”、“塔式”和“碟式”，均有严重弱点，均有大幅度改进的余地。其中，槽式电站聚光比较低，余弦损失较大，热交换损失也较大，吸热管的温度较低，系统的综合效率也较低；而“塔式”或“碟式”的结构特别复杂，技术要求也高，大规模产业化有很大困难。,这样的情况下，英国剑桥大学和美国加州理工学院任高级研究员的陈应天博士提出了一种利用行与列的运动来代替点的二维运动的新的数学控制模式，这样由子镜组成的光学矩阵镜面的控制可以由几何级数大大减少为代数级数。为了将其优点在太阳能聚光应用上充分发挥出来，他打破了传统的采用方位角-仰角的太阳跟踪方法，在世界上第一个提出了采用自旋-仰角的跟踪公式。世界最权威的太阳能刊物Solar Engineering围绕这一新的聚光跟踪理论从2001年起连续发表了他的8篇论文，在国际上引起了巨大影响。经国际太阳能权威机构进行严格地分析比较后证明，根据新的聚光和跟踪理论推导出的新的聚光曲面和跟踪方法(国际上现称为“陈的曲面”和“陈的跟踪方法”)，比传统的聚光跟踪方法更能有效的接受太阳能。,内容简介,基于这种“陈氏”理论，我们对其进行了一系列的改造，将小规模的太阳能热力发电系统应用到家庭中，并与传统的小型家用太阳灶进行一体化，可提供包括空调、采暖、风扇、电视、炊事、电脑、洗澡等在内全部用电、用热能、用蒸汽和热水，满足家庭日常使用。 建立在理论突破基础上的新型定日镜技术具有以下三大优点：新的高次曲面比传统几何镜面(球面或抛物面等)的聚光倍数提高几倍甚至十几倍即使在入射角变化的情况下，新的高次曲面也能够有效地消除太阳光斑的象差，从而使聚光的倍数大大增加，并第一次实现了聚光与跟踪同时进行的设计模式。,基础理论的突破往往带来重大的技术革新。新的聚光和跟踪理论为太阳能的高效经济利用开辟了一条全新的途径。各种更廉价、更高效的太阳能聚光接收器正在被陆续开发出来。理论突破的巨大威力已经得到实践的成功检验。,执行过程,第一阶段：准备阶段（2013.10-2014.02） 查阅相关的资料，对立项项目进行初步研究，对项目研究方向进行进一步探索，并确立项目的研究方案。 第二阶段：实施阶段（2014.03-2014.08） 根据项目实施方案及相关理论计算，记录有关数据进行分析。 分析该系统设计所需要考虑的因素，其中包括：1、基于“陈氏”理论的定日镜的直径大小？ 2、输光光纤和输水管道的材料的选取？ 3、太阳能家电系统在哪里使用，该地的日光辐射情况如何？ 4、系统的负荷功率为多大？,5、系统的输出电压是多少？ 6、系统每天工作多少小时？ 7、斯特林发电机的发电量及蓄电池的容量？ 8、光纤的长度及布置情况？ 9、光纤耦合端与斯特林机之间的转换，以及与直接加热水的太阳能热水器之间的转换？ 10、光纤导出端再生热的热利用设计？等等。 第三阶段：总结分析阶段（2014.08-2014.10） 进行最后的分析并定型，完善理论分析研究报告，填写结题表、撰写研究论文和总结报告、参加结题答辩等。,完成情况,利用聚光板收集太阳能供给家庭供暖和供电。 我们基本按着计划进行，通过计算也得到了一些数据和结论，由于，项目经费和实验条件等等的不足，并没有深入的做实验来考证，只是从理论上初步进行探索，得到相关数据及结果。,项目研究创新点与特色,基于“陈氏理论”，我们将太阳能热发电应用到家庭中，可以大大降低了火力发电的压力。可提供包括空调、采暖、风扇、电视、炊事、电脑、洗澡等在内全部用电、用热能、用蒸汽和热水。,新型太阳灶不仅为家庭节省了燃煤燃气，与其他太阳灶相比，新型太阳灶聚光效果更好，便于操作，便于携带，大大节省了空间和时间。这种简单实用的新型热电系统如果推广到我国广大农村，人们的日常炊事用太阳能取代薪柴或煤作燃料，既方便了老百姓的生活，又能防止对树木植被的破坏和煤炭资源的消耗，进而缓解资源和环境的压力。,不论太阳自晨至晚，从冬到夏，这一定日镜能自动地在时间、空间分布上较均匀地将太阳光反射到某一“集热面”上。 通过计算，对于陈氏理论的聚光板每平方米热功率为300W/m2，而对于一所140m2的户型，供热功率10Kw，供电功率2Kw，那么我们的聚光板的直径就要达到6.6m，家电系统的输出电压为220V，蓄电池容量为200AH，系统每天工作大约8小时。,项目研究取得成果（成效）的实践应用情况及效果,其中，我们从网上所查到的信息，普通的太阳灶每分钟每平方米平均吸收太阳能8.4X104J的能量，其转换效率为20%,则按上边的直径所计算可得，每小时热功率为7Kw，根据陈氏理论所研究出的定日镜的聚光倍数提高几倍甚至十几倍，即使考虑到光纤的传热效率和连接上的损失也可以，即理论上可以达到10Kw的要求，根据陈氏数字化聚光跟踪理论所设计的固定焦点式聚光反射镜也有其局限性，在太阳光的入射角变化范围不超过30，聚光比低于100条件下使用。,另外，对于光纤导光之后的再生热效率我们无从考证，而且光纤在光线耦合端还需承受一定的温度，而且我们的方案，也将本来内置于房间内光纤一端的斯特林机外置于屋顶，这样利用开关直接调制斯特林机的位置移动到太阳光的焦点区，给斯特林机提供热源，带动斯特林机转动，实现发电。这样的方案可以减少一定的噪音，不过，对于斯特林机，给它提供热源的同时，还需要提供一个外力才能让斯特林机转动起来，这也是一个需要解决的问题。,同时，在屋外还要设置太阳能热水系统，类似太阳能热水器，直接利用太阳能聚焦生热加热水，方便快捷，即使在阴天的情况下，也能享受到舒舒服服的热水澡，但是，随着系统的复杂，在线路的布置和连接上，以及技术的应用上都提高了难度。,经过研究讨论，我们决定选用大芯径石英光纤，主要考虑到石英光纤的耐高温性良好，且光纤的透明度远远比塑料光纤的高，其中，光纤不能压、折、沾水、弯，如需弯折，尽量别超过90度，否则容易折，一般盘成圈状，角度太大会产生光衰，盘圈要顺圆弧形收。,对于太阳能热水器、斯特林发电机和光纤耦合端三者之间的转换问题，我们设计是在聚焦光斑处，做一个可以移动的平台，来支持三者之间的变换。当光由光纤导出后，先通过光纤准直器保证射出的光是平行光后，通过聚焦镜的重新聚焦达到再次生热的目的。,关于定日镜大小的计算跟估测,关于入射角跟反射次数的关系,入射角和透光率的关系,耦合的基本理论,3年,项目组对所完成课题的自我评价,经过一年的努力，我们从网上和图书馆查阅资料和相关知识，并在指导老师的指导和帮助下对该项目做了一个简单的设计和设想。由于实验经