【摘要】：太陽能是可再生能源中分布最為廣泛,取用最為便捷,儲(chǔ)量最為豐富,因此太陽能在未來能源結(jié)構(gòu)中勢(shì)必將占有重要的地位。本篇論文旨在設(shè)計(jì)一套模型,期望其可以對(duì)太陽能經(jīng)熱能—機(jī)械能途徑進(jìn)行應(yīng)用的可行性進(jìn)行驗(yàn)證,選用平面型點(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡,通過折射聚焦的方式,將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?雙缸直列的α型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能加以利用,同時(shí)設(shè)計(jì)了太陽追蹤系統(tǒng)和輔助加熱裝置以提高整套模型的太陽能利用率。論文主要內(nèi)容包括:基于統(tǒng)一設(shè)計(jì)公式推導(dǎo)出平面型點(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡設(shè)計(jì)公式,完成透鏡每個(gè)環(huán)棱的高度角的計(jì)算,之后采用直接推算法得出的公式進(jìn)行驗(yàn)算;利用TracePro軟件對(duì)透鏡進(jìn)行虛擬仿真,從而得到透鏡的最佳環(huán)踞、焦距內(nèi)徑比以及最佳光線入射角度。根據(jù)所得出的結(jié)論,設(shè)計(jì)了直徑為360mm,焦距為400mm,環(huán)踞為0.5mm的平面型點(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡作為聚熱器,并對(duì)其進(jìn)行虛擬仿真,得出結(jié)論:在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中,應(yīng)盡可能確保陽光垂直射入鏡面,同時(shí)選擇透鏡焦點(diǎn)處作為熱能利用點(diǎn)。根據(jù)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理,設(shè)計(jì)了一臺(tái)小型雙缸直列α型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)模型作為原動(dòng)機(jī),采用中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械能的輸出。設(shè)計(jì)一套南北方向傾斜布置(手動(dòng)調(diào)節(jié)),東西方向自動(dòng)追蹤(光電追蹤)的太陽追蹤系統(tǒng):(1)合理設(shè)計(jì)聚熱器支架的安裝位置和結(jié)構(gòu),使透鏡中心的運(yùn)動(dòng)軌跡近似在以焦點(diǎn)為球心,焦距為半徑的球面上,在保證陽光垂直入射的同時(shí),焦點(diǎn)位置保持不變。(2)在東西方向的光電追蹤,選用光敏二極管作為光照傳感器進(jìn)行光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換,合理設(shè)計(jì)追蹤傳感單元的結(jié)構(gòu),保證能夠準(zhǔn)確感知光線入射角度的變化。(3)控制單元以AT89C51單片機(jī)和LM324芯片為主體,利用LM324芯片內(nèi)的運(yùn)算放大器完成不同光照條件下電信號(hào)的比較與判斷;使用PNP三極管控制電磁繼電器的啟閉,進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng);設(shè)計(jì)控制策略,并使用C51程序語言完成相關(guān)程序代碼的編寫。設(shè)計(jì)輔助加熱裝置,在光照強(qiáng)度不足時(shí),繼續(xù)驅(qū)動(dòng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工作。選用硫酸鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的硫酸鎂沸石混合物作為熱能—化學(xué)能存儲(chǔ)材料,從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端帶動(dòng)小型直流發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),使用電流表和電壓表測(cè)量發(fā)電功率。制作了菲涅爾透鏡和斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,并計(jì)算太陽能利用率。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)樣品及模型進(jìn)行了測(cè)試與分析,初步證明了設(shè)計(jì)方案的可行性。將來,以此思路所設(shè)計(jì)出的成熟產(chǎn)品將在偏遠(yuǎn)海島以及遠(yuǎn)洋工程平臺(tái)上會(huì)擁有廣闊的市場(chǎng)空間。
【學(xué)位授予單位】：集美大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TK51
【圖文】：

碩士學(xué)位論文 基于菲涅爾透鏡聚熱器的太陽能原構(gòu)簡(jiǎn)單，使用可靠，壽命極長(zhǎng)，是理想的空間發(fā)電系統(tǒng)[36]。特林發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種在多個(gè)領(lǐng)域都存在成熟應(yīng)用機(jī)型的外燃機(jī)，因其可具且效率高的特點(diǎn)，完全可以作為太陽能應(yīng)用領(lǐng)域中，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能陽追蹤系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀陽光線射向水平地面時(shí)始終存在著一個(gè)高度角和一個(gè)方位角，且太陽高度隨時(shí)間的改變而時(shí)刻變化。太陽追蹤系統(tǒng)可以確保設(shè)備始終正對(duì)太陽方向陽能的利用效率。香港大學(xué)建筑系的 K.P. Cheng 同 S.C.M Hui 教授一起對(duì)太陽能接收率的關(guān)系進(jìn)行了研究,通過理論分析表明對(duì)太陽光線運(yùn)動(dòng)的跟蹤能設(shè)備對(duì)能量的接收率相差 37.7%[37]。追蹤模式與非追蹤模式接受光線照?qǐng)D 1-2 所示。

集美大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于菲涅爾透鏡聚熱器的太陽能原動(dòng)機(jī)研第 2 章 菲涅爾透鏡聚熱器研究法國物理學(xué)家 Augustine Jean Fresnel 在 1822 年發(fā)明了一種新型的透鏡，其原理為：線透過曲面透鏡時(shí)，僅在其光學(xué)表面發(fā)生路徑的改變即折射，因此可以盡可能地減少光材料的使用量，只需保留光學(xué)表面，其原理如圖 2-1 所示。這種具有制造方便、重量輕成本低、厚度薄、聚光效果好等優(yōu)點(diǎn)的透鏡被命名為菲涅爾透鏡。如圖 2-2 所示，為菲爾透鏡實(shí)物圖。

集美大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于菲涅爾透鏡聚熱器的太陽能原動(dòng)機(jī)研第 2 章 菲涅爾透鏡聚熱器研究法國物理學(xué)家 Augustine Jean Fresnel 在 1822 年發(fā)明了一種新型的透鏡，其原理為：線透過曲面透鏡時(shí)，僅在其光學(xué)表面發(fā)生路徑的改變即折射，因此可以盡可能地減少光材料的使用量，只需保留光學(xué)表面，其原理如圖 2-1 所示。這種具有制造方便、重量輕成本低、厚度薄、聚光效果好等優(yōu)點(diǎn)的透鏡被命名為菲涅爾透鏡。如圖 2-2 所示，為菲爾透鏡實(shí)物圖。

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