船舶绿色照明光伏发电-余热回收仿生结构的机理与试验研究

研究比较自然界中的树木在不同树冠形状结构下光能利用效率的差异和树叶在不同脉络及气室下蒸腾传热的差异，模仿各种不同树冠、叶脉和气室的形状结构，设计三维形状结构图，利用软件进行仿真和应力分析，探索仿生结构的机理，搭建光伏发电、余热回收仿生结构试验装置，对光能利用效率和传热进行分析和比较，建立光伏发电-余热回收仿生结构模型；研究船舶锅炉、内燃机相流动与传质传热，运用软件仿真和试验比较的方法，建立废气余热高效回收的仿生结构模型；建立光伏发电-余热回收仿生结构复合系统为船舶照明提供绿色电源；以LED照明器件为负载，试验该系统的转换效率等特性。.目前我国水上船舶照明用电大都通过柴油机或汽油机提供，由此消耗的燃油和排放的污染物数量巨大。本项目研究建立光伏发电-余热回收仿生结构模型，以期替代现有的船舶照明系统用电，实现绿色照明，达到节能减排的目的，这将对我国的能源安全和环境保护具有重要的科学价值和意义。

目前我国水上船舶照明用电大都通过柴油机或汽油机提供，照明约占船舶总耗电的10%左右，是较主要的耗能部分，排放的污染物数量巨大，污染空气和水域,因此降低船舶照明能耗对船舶节能和降低污染物排放具有重要的意义，对光伏发电、余热回收仿生结构模型等进行理论基础研究，以期未来替代现有的船舶照明用电，本项目主要进行了以下的研究：.一、基于植物光合作用机理和树冠基本结构与类型，进行了基于仿生学的光伏发电系统的研究；研究、比较自然界中树木在不同树冠形状结构下光能利用效率的差异，选择各种不同树冠的形状结构，利用软件进行仿真研究分析，探索仿生结构的机理，建立光伏发电仿生结构模型；.二、根据热电发电装置布置特点，选定基础排气管道模型为正八边体管道结构。依据增强壁面换热理论，改进管道内部结构模型，仿真分析柴油机额定工况下，不同改进方案的壁面温度分布。通过仿真分析，在排气管道内部安装环形金属翅片导热装置的壁面平均温度值可提高到687.4K，且壁面温度分布梯度变化小，适合热电发电装置的应用布置；在改进管道结构基础上，仿真分析不同工况条件下的壁面温度分布；.三、从船舶实际工作环境出发，根据余热温差和光伏发电的工作特性，选定目标船型。考虑到船舶不同工况，温差发电组件布置于船舶发电柴油机排气管。光伏组件的布置从甲板面积和安全性能两方面考虑，确定目标船型为散货船；其次通过数学建模和仿真，计算排气管温度分布，在此基础上利用MATLAB计算排气管不同位置温差发电片的发电量，确定温差发电片布置方式；.四、利用PSO智能算法，以船舶照明系统为负载，依托船舶航线和实际用电需求，综合考虑系统可靠性，对温差发电组件、光伏组件、蓄电池的数目优化，使运行成本最低。将传统灯具以LED节能灯具替代，重新计算组件个数，分析替换前后的影响；.五、使用流体力学分析软件FloEFD for NX对大功率船用LED照明灯进行热分析，对LED灯进行各个节点温度的测量，验证说明软件能满足仿真的基本要求。对灯具翅片散热器结构的各单一因素进行仿真分析，得出船舶环境温度为25℃时，翅片式散热器翅片的长度为20mm 、高度为15mm 、厚度为2mm 、基底厚度为4mm,、翅片数目为20个时，散热器散热效果最佳。.通过对船舶上的光伏发电、余热回收仿生结构和LED灯具等进行研究，希望达到节能减排，这对我国能源安全和环保具有较重要的科学价值和意义。