太阳能热气流发电系统的荷载和抗风性能研究.docx
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太阳能热气流发电系统的荷载和抗风性能研究
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浙江大学建筑工程学院硕士学位论文太阳能热气流发电系统的荷载和抗风性能研究姓名：
吕晓东申请学位级别：
硕士专业：
结构工程指导教师：
袁行飞20100301
摘
要
太阳能热气流发电系统是一项利用太阳能集热以及烟囱效应驱动风力涡轮带动发电机发电的新系统。
该系统中的烟囱高度往往达到上千米，属于超高耸结构的范畴，同时由于该系统的特殊性，系统工作时烟囱结构将处于复杂的内外风场和温度场环境中。
本文以一发电功率为１００ＭＷ的太阳能热气流发电站为研究对象，通过平均风风场数值模拟、温度场数值模拟研究了系统内外风场和温度场的分布规律，并对其中的超高耸烟囱进行了风速时程分析和风振分析，论文得出了一些结论，为该系统进一步的结构分析提供了理论依据。
论文首先总结了影响太阳能热气流发电系统发电功率和效率的各种因素，通过数值模拟研究了系统几何尺寸和形体变化对系统性能的影响，确定了超高耸烟囱的合理形体，得到了功率为１００兆瓦电站的合理尺寸。
论文接着运用计算流体力学方法对系统内外风场进行数值模拟，得到了系统风场的分布规律，按照风工程理论计算得到烟囱的风载体型系数，并与我国荷载规范以及相关风洞试验数据进行了对比研究，得到了体型系数沿烟囱高度方向和圆周方向的分布规律。
为模拟系统温度场分布，论文对计算流体力学软俘ＦＬＵＥＮＴ中的辐射模型做了系统研究，采用数值传热理论和计算流体力学方法，模拟了一定太阳辐射条件下系统内的辐射对流传热过程，得到了沿集热棚高度和直径方向以及沿烟囱高度和直径方向温度的分布规律。
论文最后采用谐波叠加法，同时引入快速傅里叶变换技术，以西缪谱为标准谱对超高耸烟囱进行了风速时程模拟和分析；通过烟囱动力特性分析得到烟囱前９阶振型和频率；通过结构瞬态动力计算得到了风振响应，并最终得出了烟囱的风振系数。
关键词：
太阳能热气流发电系统；风场；温度场；太阳辐射；脉动风；风振响应．
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Ｓｙｓｔｅｍ；Ｗｉｎｄ
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Ｗｉｎｄ；Ｗｉｎｄ—ｉｎｄｕｃｅｄＲｅｓｐｏｎｓｅ．
一Ｖ一
浙江大学研究生学位论文独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发
表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸鎏盘堂或其他教育机构的学位或
证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名：
懈
签字日期：
加厂ｐ年
一弓月ｆ，奄日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。
本人授权逝鎏盘堂
可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
（保密的学位论文在解密后适用本授权书）
学位论文作者签名：
减孓
导师签名：
玄钉盈
签字目期：
么镌年≥月ｔｏ日
签字日期：
劫，ｐ年弓月ｃ，Ｑ日
致谢
本文是在导师袁行飞教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、讨论、修改到定稿无不凝结着导师的心血和汗水。
读研期间，导师不仅在学业上给予我细心的指导和鼓励，而且在生活上给予我莫大的关怀和帮助。
永远不会忘记，在导师组织的交流会上，课题组师兄弟妹们激昂而有益的讨论使每个人最大限度地拓展自己的学术视野；也永远不会忘记，在读研报到因家庭贫困无力支付学费生活费的窘境里，正是导师的援助和呵护帮我度过难关…，导师严谨求实、一丝不苟的
治学态度，克勤克俭、宽以待人的宝贵品格都将使我受益终身！
在此谨向恩师致
以深深的谢意和崇高的敬意。
在这里还要特别感谢董石麟院士和周定中老师。
多年来，两位老师以多种方
式资助众多贫困学子完成学业，在袁老师的引荐下我也有幸成为其中一员，随后两位老师又多次给我增长见识、锻炼提升的机会。
董院士和周老师渊博的学识、严谨的学风、虚怀若谷和平易近人的长者风范都令我无比钦佩和感激。
同济大学的钱若军教授在论文的理论框架和软件的学习运用上给予我巨大帮助和指导，使我受益匪浅。
钱老师深厚的理论功底、严谨的逻辑思维、孜孜不倦的探索都给我留下深刻的印象，在此向钱老师致以深深的谢意和美好的祝福。
衷心感谢空间结构中心的罗尧治教授、关富玲教授、高博青教授、邓华教授、赵阳教授、肖南副教授、苏亮副教授。
他们深厚的理论功底和丰富的工程经验让我肃然起敬，是我学习的榜样。
论文在写作时还得到了陈水福老师、周新平老师
的指导以及博士王昕、王振华、罗桂发和硕士张陈胜、庞礴、余关鹏、杨伦、盛
建康的莫大帮助和支持，在此一并向各位致以深深的谢意和衷心的祝福。
衷心感谢郭佳民、向新岸、邢栋、田伟等博士师兄和赵晓旭、马春来、陶亮等师兄在学业和生活上给我的关怀帮助；感谢空间结构Ａ７１８实验室的众同门和众师弟妹，难忘这里撒满欢声笑语的日日夜夜。
感谢一直以来支持我的亲朋好友，感谢我的女友及其家人，祝你们健康平安。
感谢评阅本文和出席论文答辩的各位老师，专家，感谢你们在百忙之中给我的帮助和指导。
最后感谢国家自然科学基金委对本课题的资助。
吕晓东
２０１０年３月于紫金港
浙江大学硕士学位论文
第１章绪论
第ｌ章绪论
１．１太阳能热气流发电系统概述
１．１．１全球能源问题现状目前全球能源利用领域存在两大难题：
一是可供开采利用的化石能源储备相对短缺，二是大规模的化石能源的利用给全球气候和环境带来巨大危害。
煤、石油和天然气等化石能源是目前全球应用最为普遍的能源，但化石能源属于不可再生资源，并非取之不尽的。
随着社会的快速发展和全球人口的不断增长，化石能源的消耗水平也在大幅增长。
据预测，全球蕴藏的可开采利用的煤和石油，分别将在２００年和３０～４０年内耗竭，天然气按储采比也只能使用６０年【ｌ】．大量化石燃料燃烧的直接后果就是将存储在地下的远古代碳源以温室气体的形式释放到大气中，这将引起地球表面大气温度的持续上升１２卅。
大气升温将给全球气候和环境带来一系列危害：
包括冰川退化、海平面上升，海水酸化、极端气候加剧和作物减产等。
我国的化石能源储量远低于世界的平均水平，大约只有世界总储量的１０％１５１，其储采比只有世界储采比的一半左右，已经探明的人均可采储量，煤炭为世界人均值的１／２，石油为１／１０１６ｊ，可见我国化石能源资源储备相对不足；另一方面，我国又是快速发展中的大国，能源消耗量逐年提高，快速增长的能源需求和能源储备的相对不足将成为制约我国经济社会可持续发展的重要因素。
解决能源利用领域的两大难题的根本途径在于：
减少化石能源的开采利用和大力发展推广新的清洁能源技术。
近年来，太阳能、风能．潮汐能等可再生能源发电技术发展迅速并在工程中被大力推广运用。
在各种可再生能源中，太阳能是最重要的基本能源，生物质能、风能、水能、潮汐能都是来自于太阳能。
比如生物质能是生物将太阳能储存在体内，再通过物理、化学方法就可以将储存在生物体内的能量转化为我们所需的能源‘刀．表１．１给出了我国几种可再生能源的资源总量和开发潜力Ｉ引。
从表卜１可知，太阳能发电的资源量比其它发电方式高两个数量级，因此可以认为太阳能的开发潜力是无限的。
一１～
浙江大学硕上学位论文
第１章绪论
表１．１我国几种可再生能源资源总量和开发潜力（单位：
亿千瓦）
太阳能发电有通过热过程和不通过热过程两种方式。
通过热过程的发电方式有：
聚热式太阳能热发电、抛物面聚光发电，太阳能热气流发电、热离子发电、热光伏发电、温差发电等；不通过热过程的发电方式有：
光伏发电、光感应发电、
光化学发电及光生物发电等川。
其中太阳能热气流发电是一项较新的通过热过程
发电的环保技术，非常适合太阳能资源丰富，人Ｉ＝１密度小，地域辽阔的地区。
我国西北地区太阳能资源丰富、年日照时数长，而且地势平坦无高山环绕，利用该技术可以源源不断的发电，而且不会对环境造成破坏，因此该技术的推广和应用对保护西北地区的生态环境、推动西部经济的发展、缓解我国能源与环境的矛盾具有重要而深远的意义【６】。
１．１．２太阳能热气流发电技术介绍
太阳能热气流发电系统是一项利用太阳能集热以及烟囱效应驱动风力涡轮带动发电机发电的新系统ｆ６１，最初由德国著名结构专家、斯图加特大学教授Ｊ．Ｓｃｈｌａｉｃｈ提出１９］。
该系统由太阳能空气集热棚、带有发电机的风力涡轮、以及太阳能烟囱三部分组成。
集热棚采用透光且隔热的材料制成，用以吸收太阳辐射能量使棚内空气温度升高；位于集热棚中央的烟囱，高耸达数百米至上千米，在烟囱的抽吸和集热棚内热空气压力的联合作用下，烟囱引导棚内空气形成强大气流，驱动涡轮机带动发电机发电，其运行原理如图１．１所示。
太阳能热气流发电系统主要具有以下优点：
（１）有效利用荒地太阳能烟囱热气流发电站的理想建造场地是人口稀少的
闲置土地，特别是荒漠、沙地等。
因此该技术特别适合我国广阔的西北地区。
（２）可以昼夜运行集热棚下的地面蓄热系统能吸收并储存一部分太阳能，
并在夜闻释放出来，使得系统中形成连续风场从而保证发电机组的连续运行。
第１章结论
塔高
直径
圈１．１太阳能烟由发电拳琉姐成和运行犀理示意圈（３）建造材抖易得太阳能集热棚和熠由可以使用现有的常规材料建追，主要包括玻璃，塑料．混凝土和锭材等，材料易得，而且不蔷要较高的割追工艺。
（４）运行维护简单
太阳能熠囱热气流电站的设备鞍其它发电技求简单，一
经建成运行维护费用低；而且设备规模越大，功率越太，发电效率也越高．（５）靖洁能薄技术太阳能熠由热气流发电是清洁发电，运行时无需冷却水，
不会产生ｓ０２、ＮＯｘ等污染物和Ｃ０２等温室气体．据估算．２００ＭＷ的太阳能烟囱
热气漉电站每车可以减少９０万吨ｃＯｚ等温室效应气体的排放。
建造在大气污染
严重的工业地域的太阳能烟囱还能起到消除大气污蛰㈣的作用。
太阳能热气流发电系统也存在一些缺点：
倒如运行效率较低，电站型体巨大．施工建造田难、一次性投资过高，成本相对较高等．此外电站长期运行后，大量灰尘将会粘附在集热棚表面，导致采光性能下降．自太阳能熠由热气流发电概念被提出后．研究人员为７克服这些缺点相继提出Ｔ一些新型太阳能烟囱热气流发电模式，包括依附高山体建追的斜蛔囱式发电系统、斜坡集热棚式发电系统、太阳能烟囱海水液化，热气流发电综告系统、漂浮烟由发电系统以及螺旋集燕式太阳能热气流发电系统等１６”．
２００４年，希腊教授Ｐａｐａｇｅｏｒｇｉｏｕ提出７漂浮烟囱的新构想忙”’Ｉ．漂浮熘由
是一种利用轻质气体产生的浮升力漂浮在大气自的新型烟囱。
理论上其高度可达数千米，从而显著提高系统发电减率，同时避免７建遣超高耸钢筋混凝土烟由所存在的风险．刍毛点是建造漂浮烟囱所用材料的耐久年限较短，只有１５年左右．
浙江大学硕士学位论文
第１章绪论
２００５年，加拿大学者Ｂｉｔｇｅｎ－ｔｊＲｈｅａｕｌｔ提出在高纬度地区建造斜坡集热棚式太阳能热气流电站的构想１１０ｌ。
黄国华与施玉川１１１１分析了该构想在我国高纬度的西北山区应用的可行性。
２００８年，明廷臻【１６１等提出了螺旋集热式太阳能热气流发电系统，并通过数值计算证明：
新型系统的流动与传热特征参数和西班牙模型计算结果相接近的情况下，集热棚半径将减少约２５％，占地面积和所需材料减少约４４％，采用螺旋集热式太阳能热气流发电系统比常规的太阳能热气流发电系统更具有经济性和商业优势。
其集热棚结构如图１．２所示。
图１．２螺旋集热武太阳能热气流发电系统集热棚示意图
１．１．３理论研究和应用现状
（１）理论研究现状国外学者在相关理论研究方面取得许多成果。
１９８７年，Ｍｕｌｌｅｔ推导了太阳
能热气流发电系统发电效率的计算公式¨７１。
１９９１年，Ｙａｎ等构建了全面分析太阳能热气流发电系统性能的热力学模型，认为系统内涡轮不能简单地当作风力涡轮处理１１８１。
１９９２年，Ｐａｄｋｉ与Ｓｈｅｒｉｆ分析了几何参数和运行参数对烟囱性能的影响‘１９１。
１９９７年，Ｐａｓｕｍａｒｔｈｉ－与Ｓｈｅｒｉｆ在实验基础上构建了用于评估太阳能烟囱温度对系
统发电量影响的数学模型１２０１。
１９９９年，Ｐａｄｋｉ－与ｓｈｅｒｉ踺立了用来估算太阳烟囱系
统性能参数的解析模型【”１。
该模型使得不同几何参数和运行参数对烟囱性能的影响易于理解。
２０００～２００７年，南非教授ＶｏｎＢａｃｋｓｔｒｏｍ领导的研究团队对太阳能烟囱系统内的热力循环和能量损失、涡轮性能强化以及系统内空气压降等进行了研究，取得了一系列研究成果１２２－２６】。
２００３年，Ｂｅｍａｒｄｅｓ等构建了用于估算大规
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第】章绪论
模发电系统发电量的热网模型，并对系统性能进行了敏感性分析１３们。
２００７年，希腊教授Ｐａｐａｇｅｏｒｇｉｏｕ对其提出的漂浮烟囱的性能进行了一系列理论研究，包括漂浮烟囱的结构设计、风力影响规律和成本估算等［１２－１５］。
２００５年，德国教授Ｓｃｈｌａｉｃｈ对大规模太阳能热气流发电站进行了结构设计、性能评估和成本估算等１３¨。
２００６年，Ｐｒｅｔｏｒｉｕｓ与ＫｒＯｇｅｒ对集热棚内换热进行了详细研究，总结出一套对流换热经验系数，并综合考虑地面的蓄热效应、玻璃品质、涡轮入１２损失系数、对流换热系数、集热棚顶形状和入口高度等因素，构建了一套全面的数学模型，来预测太阳能热气流发电站的性能【３２－３５］。
２００４年，Ｓａｗｋａ设计了双壳型结构用以加固烟囱并提高其动态稳定性。
其原理为在烟囱底部建造双盐线型混凝土外壳，烟囱口形状采用双曲线喇叭型１３６１。
国内学者对太阳能热气流发电技术的研究还处在理论分析和模型试验阶段。
２００３年，上海交通大学运用一种简化分析方法对所构建的概念太阳能热气流发电站的性能进行了预测，并针对宁夏地区的气候特点，对其在银川、平罗和贺兰三个地区应用的可行性做了分析１３刀。
２００４年，中国科技大学的葛新石和叶宏分析了太阳烟囱发电系统能量转换效率问题和太阳烟囱发电及其固有的热力学不完善性，指出即使在理想的条件下，系统的发电效率也很难大于１％１３８１。
２００５
年，国家自然科学基金委资助了西安交通大学的“斜坡太阳能热气流发电系统及其内部流动、传热规律研究”项目１３９１。
２００６年，山东科技大学采用太阳能真空集热器替代透明塑料板集热器，组成了高效太阳能热气流发电系统，并对该高效太阳能热气流发电系统进行了可行性分析【４０１。
同年，天津大学初步研究了太阳能烟囱海水淡化及热气流发电综合系统的性能【４１４３１。
华中科技大学刘伟教授等
运用传热学和流体力学对太阳能热气流发电系统进行了研究。
并分析了系统内部相对压力分布和系统抽力大小１４４舶】。
卫军等分析了超高耸太阳能烟囱结构建造的可行性１４７．．４８１。
２００２年，华中科技大学建造了全国第一座太阳能热气流发电实验装置，之后对集热棚和烟囱内的传热和流动过程进行了实验研究和数值模拟研究ｆ４９弓７】。
２００７年，浙江大学申请的“用于太阳能热气流发电技术的超高耸烟囱结构研究”项目获得了国家自然科学基金委的资助，本论文工作即为其中一部分。
（２）电站原型实验研究现状ｉ６９１
１９８１～１９８２年，在德国技术研究部资助下，芬诺沙电力公司在西班牙
＊＂＾｛目十｛＆ｍＺ
＊ｌ§镕☆
Ｍａｎｚａｎａｒｅｓ建
７一座功宰５０ＫＷ的安验原型电站［９１．这是世界上第一座太阳能
烟由电站，其外观如圈ｉ３所示．这项研究计划的目标是通过现场试验来验证太阳能烟囱发电系统的可行性．并通过试骚来分析各部分对电站输出功睾和效宰的
影响．
圈１．３
Ｍ—ａｔｅｓ太阳照舾窗发电赛鼙犀基
】９８３年，美国科学家Ｋｒｉｓｓｉ在康涅狄格州首府西哈特福穗市建造７一座烟囱高度为】０ｍ，集热棚直径为６ｍ，输出功率ｌＯｗ的庭园武太阳能烟囱发电装置‘５”．美国佛罗里达大学校园中的装置‘州如田Ｉ４所示：
为起到加速气流的作用，烟囱形体采周渐缩型，其直径从底部的２２８ｍ逐渐减小到顶部的０
６１
ｍ，风力涡
轮机安装在熘囱出口。
作者还对原装置的结构进行了两次改进：
增大集热棚面穗到２６３ｍ２和在自然地面上增加吸热层．通过对比改进前后装置内空气温度和速
度大小发现：
两种结构改进都增加７发电功卑
篇‘Ｅ：
‘ｑ≈≈～
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田１．４羹国讳罗里达大学校西中曲太阳蓖烟囱模型
＂Ⅱ＾学砸±学＆论上
２００２年底，华中科技大学扬家宽领导的团队设计井建造７我国第一麈太阳
能耀由发电装置‘划，并通过现场宴利获得了电站运行时的部分特性参数以及温度场和风场舟布数据，该装置由直径１０ｍ的玻璃集热棚和高８ｍ、直径０．３ｍ的蝈由组成，如图Ｉ５所示。
慰濑
集热棚与蝈由联结部位
雷１ｊ华中科技太学建造的太阳蓖蝈由模型２００６年．巴西Ｕｎｉｘｒｅｒｓｉｄａｄｅ
Ｆｅｄｅｒａｌ
ｄｅＭｉｎａｓＧｅｒａｉｓ（ＵＦＤＭＧ）大学建造了
一座太阳能蛔囱模型帅ｌ，如图Ｉ６所示，集热棚高０．５ｍ，采用玻璃纤维材质，彤状呈水平状。
为减少内部空气与环境空气在入口处产生强
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