作为一项前景较好的绿色发电技术,碟式太阳能+斯特林系统（后文简称碟式斯特林系统）的发展受到了研究人员和政府的高度重视。中国在世界绿色能源生产方面处于世界领先地位,近年来投入了大量经费研发太阳能技术。然而,若要进行碟式太阳能+斯特林的特性描述及商业化,需要深入研究不同设计形式、几何参数优化及运行参数对系统性能及优化的影响规律。经文献调研,目前尚缺乏针对碟式斯特林系统的参数影响研究。在大部分既有研究中都未能考虑聚光器直径、吸热器温度、风速及环境温度对碟式斯特林系统发电功率及总效率的影响。此外,针对碟式斯特林系统设计阶段的多目标优化研究显著不足,特别是如何优化设计聚光器及吸热器参数以使总效率和发电功率最大化并最大程度降低成本。而且,关于边缘角、聚光器清洁度、聚光器直径、设计聚光比等参数对碟式斯特林系统性能及优化的影响规律,目前未见相关研究。因此,本文的研究将弥补上述研究不足之处,并建立一种准确可靠的碟式斯特林系统最佳参数设计及性能优化的新方法。同时,本文还设计了一套基于优化改进部件的商用规模碟式太阳能+斯特林发电系统。
本文的主要研究目标是建立一套用于计算碟式斯特林系统发电功率及总效率的完整理论模型,该模型基于热力学原理,通过MATLAB编程实现,包含几何参数优化及不同系统部件间的能量平衡计算。进行了较为全面的参数影响分析,研究了聚光器直径、吸热器工作温度、直射辐射、风速、环境温度对碟式斯特林系统净发电功率、总效率、吸热器热损失的影响。本文参数影响研究的主要目的是从定性及定量角度评价各参数对碟式斯特林系统总效率及发电功率的影响,从而为碟式斯特林系统初始设计参数的选取及后续优化提供有效依据。
之后,通过多目标粒子群优化（MOPSO）算法实现了碟式斯特林系统发电功率及总效率的最大化。研究包含了9个影响较为显著的关键参数,包括拦截率、聚光器反射率、吸热器吸收率、吸热器透射率、吸热器发射率、吸热器倾斜角、直射辐射、风速、环境温度。此外,确定了帕累托最优前沿,并通过多维偏好线性规划（LINMAP）决策方法来选取最优方案。结果表明采用MOPSO算法是可行的,基于该方法设计的碟式斯特林系统可实现23.46 k W的最大发电功率及30.15%的最佳总效率,这与基于最优参数的设计方案相比差距很小。而且,为了更深入的了解碟式斯特林系统的设计与性能优化,还进行了敏感性分析,研究了边缘角、聚光器直径、聚光器清洁度、设计聚光比对碟式斯特林系统优化后性能的影响程度。敏感性分析结果表明,对于优化后性能,聚光比、边缘角、聚光器清洁度的敏感性较高,而聚光器直径的敏感性较低。为了更好的评价设计参数对系统性能的影响,得到了一些了帕累托最优前沿及定量化结果;在碟式斯特林系统设计阶段,对部分参数的评估应满足以下准则:（1）设计聚光比对碟式斯特林系统最佳性能有显著的影响,研究结果表明,对于直径10m的聚光器,当聚光比为2500～1500时,系统可在较小的最佳总效率变化范围内（28.76%～30.15%）最大限度的提高发电功率,达到23.46 k W～22.59 k W;而当聚光比为250～1250时,系统仅可实现17.93 k W～22.16 k W的发电功率,且最佳总效率变化范围较大（22.83%～28.22%）。对于上述最佳聚光器配置,碟式斯特林系统最佳总效率变化很小,其主要由于聚光器额外获得的能量与吸热器增加的热损失达到了相对平衡。因此,后续结果表明,对于具有任意聚光器直径的此类碟式斯特林系统,吸热器温度和腔体热损失的变化达到最小。（2）碟式斯特林系统的最佳效率及发电功率随边缘角增加而增加,当边缘角为45°时达到最大值。（3）当聚光器直径为2.5 m～1.5 m时,最佳发电功率在1.43 k W～53.34 k W间变化,而总效率的变化幅度较小,为29.80%～30.20%。最佳目标总效率变化幅度较小的原因是,对于采用最佳聚光器配置的优化方案,聚光器获得能量的增益与吸热器热损失的增加达到了平衡。（4）敏感性分析结果还表明,聚光器清洁度对碟式斯特林系统的最佳发电功率和总效率有非常显著的影响。洁净聚光器的最佳发电功率比清洁度为0.96、0.92、0.88、0.84时分别提高了4.12%、9.90%、16.69%、22.98%。因此,应定期清洁聚光器以降低镜面污垢的不利影响。综上所述,对于碟式斯特林系统设计,采用MOPSO算法可以在保证所需指标（如发电功率）的基础上实现最大总效率及最小热损失,并得出详细结果,以提高聚光太阳能发电技术的商业化潜力。
基于上述研究成果,设计并实验研究了一套额定功率为25 k W的新型碟式斯特林系统,系统建于天津大学（后文简称该系统为TJ-SDSS）。介绍了该新建系统的设计准则、模块组件选取、结构设计及实施步骤。系统所在地区属于寒冷气候。设计并建造
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