真空管在太阳能热气流发电中的应用优秀硕士学位论文.docx
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真空管在太阳能热气流发电中的应用优秀硕士学位论文
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山东大学硕士学位论文太阳能真空管在太阳能热气流发电中的应用姓名:
马加朋申请学位级别:
硕士专业:
制冷与低温工程指导教师:
韩吉田20090420
摘要
太阳能是一种取之不尽,用之不竭的新型可再生能源,而太阳能烟囱发电技术是一项综合应用温室效应技术,烟囱技术以及风力涡轮
发电技术于一体的太阳能发电新技术,是实现大规模开发和利用太阳能的一种新的途径.太阳能烟囱系统的低效率以及由于太阳能烟囱过
高而存在的工程安全性差和工程费用过高的问题是影响建造商业规
模的太阳能烟囱电站的重要因素.太阳能烟囱系统中气流的速度场和温度场的分布对系统中的能量转换,涡轮转子的输出功率有很大的影
响.
本文首先分析了利用全玻璃太阳能真空管能吸收太阳辐射并快速加热内部空气的特性,其次讨论在不同太阳辐射强度的情况下,空气在全玻璃太阳能真空管中被加热时温度,速度和压力的变化,再次
讨论空气在不同情况下对太阳能烟囱的发电效率的影响.介绍了太阳能烟囱热气流发电的原理,特点和主要的结构,分析
了集热棚,烟囱,涡轮机和储热地面四个主要的组成部分,特别是对组成集热棚的全玻璃太阳能真空管进行了详细的描述和性能分析.利用FLUENT计算,揭示了全玻璃太阳能真空集热管测试状态下的压力场,流场和温度场的分布规律,分析了全玻璃太阳能真空集热
管压力场,流场和温度场的影响因素.根据太阳能真空集热管的物理
模型和FLUENT的建模要求,建立了太阳能真空集热管的FLUENT计算的模型.根据太阳能真空集热管在空晒状态下的工作条件,设置FLUENT计算的边界条件,对不同辐射强度600w/m2,80Ow/m2,1
和1
O0
Ow/m
2
2OOw/m2下的压力场,流场和温度场进行计算,清楚地观察到太阳
能真空集热管联箱的进口,出口和太阳能真空管顶部,中部和底部在各种工况下的压力场,流场和温度场分布不相同的情况.分析了模拟计算的结果,并对不同辐射强度下得出的速度,温度和压力结果做出
对比.
本文中应用数值计算方法,在一定假设条件下,建立了适宜于太阳能烟囱系统中气流的数值计算模型.并利用建立的数值模型,采用
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通用商业CFD软件FLUENT对太阳能烟囱系统中速度场,温度场和压力场进行了数值模拟.在其它条件不变的情况下,得出太阳能辐射强度不同时对集热棚集热内的空气温度,压力和速度的变化影响,并对
结果进行对比,得出太阳能辐射强度和进出口温差对太阳能烟囱热气
流发电效率的影响,为将来建造小型的实验场提供模拟理论数据.
关键词:
全玻璃太阳能真空管;太阳能烟囱;
数值模拟;
系统效率;
II
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ABSTRACT
SOlar
renewabletechnologY
energyenergy
to
is
an
inexhaustible
and
environmentally—friendly
generationtechn0109Y,
can
source.Solarthe
chimney
power
iS
a
new
use
greenhouse
effect
chimney
technologYandturbinetechnologYsynthetically,andit
developandlarge—scale
make
use
Of
the
S01ar
energy
efficiently.However,the
commercialapplicationsforsolarchimneyPowergenerationhavebeen
postponed
forthe
disadVantages,e.g.10wconversionefficiency,1ess
constructioncapitalcausedbythehigher
engineeringsafety,andhigh
chimney.TheairflOWvelocityfieldandtemperaturefielddistribution
play
an
importantroleinthesystemenergyconversionandtheturbine
Poweroutput.This
thesis
firstly
analyzes
the
characteristicSabSOrbSOIarheat
of
alI—glass
evacuatedSOIarcoIlectortubesusedto
to
radiatiOnand
heat
up
the
innerairquickly.SecondlY,itdiSCUSSestheand
parameter
solar
variation（e.g.temperature,velocity
pressure）underdifferent
radiantintensitywhentheairfloWisheatedup,andfinallyinvestigatestheinfluenceofthesolarchimneysystemTheprinciple,characteristicand
areon
electrical
efficiency.ofthesolar
can
main
configuration
chimneypowergenerationsystem
introduced.ASOIarchimney
beformedbyfourmaincomponents:
solarcollector,chimney,turbine
andenergystorage1ayer,anddetaileddescriptionand
performance
analysishaveThe
beeninVestigatedespecially.
characteristic
distribution
referring
to
the
pressure
field,the
velocityfieldFLUENT6.3
andthetemperaturefieldhavebeensimulatedusingtheSOftware,andhavealSO
the
effect
factors
ofthe
f10W
field
and
temperaturefield
beenanalyzed
accordinglY.The
computer
on
codeforall—glassevacuatedS01ar
collectortubeis
buiItbased
the
PhysicalmodelandtheinterfaceOfFLUENT,moreover,theboundary
III
山东大学硕士学位论文
conditionsThe
are
set
on
thebasis
ofthreedifferentairstagnationstates.
pressure
field,the
velOcity
field
and
the
temperature
field
distribution
are
analyzedandobserved
distinctlyunderdifferentS01ar
radiantintensity0f600w/m2,800w/m2,1000w/m2and1200w/m2which
employ
different
Iocation
mode
and
of
the
evacuated
solar
c011ector
tube（e.g.center,top,middle
Inconclusion,the
bottom）.
propoSedinthiSpaperiS
mathematicalmodel
based
on
thereasonablehypothesesreferringtotheairflowintheSOlar
chimney
system.Numerical
investigation
have
been
performed
to
simulatethepressurefield,thevelocityfieldandthetemperaturefield
usingotherthe
commoncommercialfixed,the
CFD
software
FLUENT
6.3.With
are
the
conditions
performance
characteristic
obtained
consideringdifferentinfluenceofthetemperature,thepressureandthevelocitythatofairwithvariedsolarenergyradiationintensity.Itishoped
the
simulated
re
sults
should
provide
the
design
instruction
and
operationoptimizationforthenextexperimentalstudy.
Key
W0rds:
all—glas
S
evacuated
solar
colieetor
tube;Solar
chimney;numericalsireulation;systernefficiency;
IV
主要符号表
G
辐射强度集热棚效率
w/m2
C,
空气比热J/Kg.K大气环境温度K集热棚面积m2
R
"COIL
机电效率
11叭
Hc
k民
V
O
烟囱高度m
质量流量kg/s
■
最大输出电功率w速度m/s烟囱的效率周围环境温度K涂层的表面温度K导热系数w/（Ill2.k）密度kg/m3
直径m
m
‰
心Q
发电机的功率系数
瑞利数热流量
ⅥC
tI
尼
p
l
换热系数w/（m2.k）
乃s
E
发射率系数
内热源热量K
W/m℃
D
九
p
粘性系数（pa·S）
热膨胀系数1/K
RC
u
雷诺数
p,
长度in
运动粘度in2/s
原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究所取得的成果.除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果.对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明.本声明的法律责任由本人承担.
论文作者签名:
二坠力牡
日
期:
丕竺生兰二_三L
关于学位论文使用授权的声明
本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子版,允许论文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印,缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文.（保密论文在解密后应遵守此规定）
论文作者签名:
丕狸翮
导师签名:
妇
期:
趔.3
山东大学硕士学位论文
第一章绪论
1.1课题研究及意背景义
随着世界经济的飞速发展,能源的需求增加,特别是电力的需求急剧的增加.以燃煤为主的电力发展不仅面临环境与生态保护的巨大压力,更
面临着煤炭,石油和天然气的储量有限的现实情况.按照现有技术,电力
生产资源供给系统是不可持续的.我国经济高速增长急剧增加了对电力的需求,未来的30年中,每l0年需求总量将增加l200kw/h,30年后中国可能超过美国成为世界第一电力消费大国….但是,众所周知,常规的不可再生能源储存量是一定的,伴随着人类无节制的开采使用,能供给人类使用的常规能源越来越少.根据统计,在过去20年中,全世界能源消耗量增加了40%,其中85%以上使用的是矿物燃料,而矿物燃料的储藏量是有限的,按目前探明的储量与开采速度的比例估计,地球上的石油可再开采40年,
天然气大约60年,煤炭还可再开采200年,所以寻找新的替代性能源迫在眉睫【21.能源专家从社会可持续发展要求出发,估计我国可再生能源发电的总装机容量2010年应达到4Gw,2020年约10GW,到2050年应有100GW的
水平,占全部总装机容量的5%～7%,从而成为我国电力的重要组成部分.其中,风力与太阳能发电将占主要份额,前期风力发电会较快发展,而后期的增长主要靠太阳能热力发电….从浩瀚无垠的太阳热能中索取应有尽
有的电力生产资源,对实现人类社会与自然的可持续发展有着重要作用,
必将成为世界经济发展新的增长点,并将逐步成为当代新兴能源产业,具有不容低估的生命力和广阔市场.那时,太阳能热力发电无疑将成为重要的工业分支.
由于可再生能源是取之不尽,用之不竭的,并且它对环境不造成污染
或者污染非常轻微,因此大力开发可再生能源不仅可以解决世界能源危机,
加速经济发展,而且还可以减少环境污染,净化人类的生存环境,无污染
的可再生能源是近期急需的补充能源又是未来能源结构的基础,目前世界
上对新能源和可再生能源的开发利用已成为保证社会得以可持续发展的瓶颈问题.现在太阳能,风能,潮汐能和核能的利用正在进入人们的生活,在能源的产生方面占据越来越大的比重.作为一种发电技术,太阳能烟囱发电技术本身所具有的设备简单,投资费用低,良好的环境效应等优点比
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将使其成为人类解决能源问题的重要手段之一.
1.2国内外的研究现状
1.2.1国外的研究发展
德国斯图加特大学的Schilaich[43】教授提出太阳能烟囱这一构想后,世界上第一座太阳能烟囱实验性电站就是在Schiaich教授及其助手设计的基
础上,在德国国家研究所（BMFT）与西班牙公共电力公司资助下,投资1400万马克,1982年在西班牙马德里南部150km处的Manzanare（曼札纳市）附近的Laneha沙漠地区建造的.该实验电站的烟囱高195m,直径10m,与烟囱
相连的集热棚直径240m,其边缘处与地面间隙约2m,中间处距地面8m.基
于试验目的,该电站安装了144个传感器,以测试自然气象条件下各部件对涡轮发电机输出功率和电站效率的影响.白天涡轮机转速为1500r/min,产
生100kw的电量.晚上集热棚下的地面把白天吸收的热释放出来,从而产生流动气流推动涡轮机以1000r/min的速度运行,发电量为40kw.该电站自
1
982年建成投运,至1
98
9年停运,共运行了7年,结果表明:
发电成本可控
制在0.11马克/kw,可靠率超过95%.据报导:
还要再建立一个烟囱高达900m,可以得到最大输出电量为100MW的电站【1,3】.在最初的试验中,这个原型烟囱己经取得了比预想要好得多的效果.
随着集热棚顶温度的提高和烟囱高度及集热棚直径的增加,电站的容量将会增加,并且每千瓦时的费用也会降低.自从西班牙建成了第一座太阳能烟囱示范发电站后,美国,日本,德国,南非等国的专家对太阳能烟囱电
站表现出浓厚兴趣.从20世纪80年代开始一直本世纪初,美国,德国,西
班牙,印度,澳大利亚,埃及,摩落哥和南非等一些国家对太阳能烟囱发电及相关技术开展了一系列研究.美国先后建立了多个不同型式的太阳能热气流发电模型电站,开展了一系列基础性研究.1983年美国科学家Krisst在康涅狄格州首府西哈特福德市建成了一座烟囱高度为10m,集热棚直径
为6m,输出功率10w的庭院式太阳能烟囱发电装置.
1
997年佛罗里达大学Pasunnarchi教授对所构建的3种太阳能烟囱模型
进行了相应的理论和实验研究.拥有充足沙摸和阳光的印度,南非和澳大利亚相继开展了太阳能热气流电站的工程设计研究和技术经济评估.南非的Gannon等人对太阳能烟囱
2
山东大学硕士学位论文
式热力发电系统循环及其发电涉及的流动和传热问题进行了研究,认为投资近4亿美元在南非北好望角建造200MW的太阳能烟囱式电站是可行的,并有可能与化石燃料电站竞争ll】.
1
995年,南非物理学家沃尔夫沃尔特·斯廷纳【1,3】领导的小组提出了
斯廷纳计划,即在南非边远的沙漠城锡兴附近建成世界上的一座实用规模的太阳能烟囱发电站.这座电站的太阳能烟囱将高达15OOm,该工程预计耗资2.5亿英镑,发电能力将达到200MW.在电力价格方面,在最坏的情况下太阳能烟囱的电力价格将与其它类型电站的电力价格相同.在最好的情况下,太阳能烟囱电站的电力价格只有其他类型电站的l/3,但是这项庞大的工程仍存在巨大困难,建造1500m商用的烟囱是目前世界上前所未有的,即使建成,能否达到预期的功能也还是不能得到确定的答案.澳大利亚和美国的EnviroMission公司合作,准备在澳大利亚的新南威尔士州建筑一座20万千瓦的太阳能烟囱发电站.烟囱设计高1000m,直径
13Om,底部厚度为1
m项部厚度为O.25m.集热棚直径为7000m,占地达
38km2.日间可发电20万kw,夜间可发电8万kw,年发电量预计为7亿kw/h.
投资预算为6.7亿澳元【4'6】.土耳其科学家Kulunk在土耳其伊兹密尔市建造了一个烟囱高2m,直径7cm,集热棚面积9m2,发电功率仅为0.14w的微型电站,烟囱底部采用的涡轮机转子功率O.45W,发电效率31¨4'6】.在理论研究方面,最近几年国外的研究人员发表了多篇关于太阳能热风发电技术的文章,内容涉及太阳能热风电厂的理论设计,能量转换效率,性能改进,环境效应等问题.
1983年,Haaf[44】等人对Manzanare电厂进行了基础性的研究,简要分析
了能量平衡,设计标准和费用等问题;在后来的研究中,l987年Haaf等人的
出了太阳能烟囱的总效率.
1
992年,Padkit和Sherif发表文章简要分析了几何和运行参数对烟囱的
性能的影响.
1
997年Pasulnarthi和Sherif证明了太阳能烟囱技术是一种可行的能源
技术,适合于像Florid这样的热带地区,同时还发展了一套数学模型,用来评估太阳能烟囱的温度对电力输出的影响,也用于估计环境状况和结构尺寸对电力输出的影响;同年,Kreetz给出了一个在集热棚中用水存储热能的数学模型,通过计算证明了太阳能烟囱全天连续运行的可能性;1999年
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Padkit和Sherif还建立了一个简单分析模型,用来估计太阳烟囱系统的性能,该分析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.
1
999年Bernardes等人给出了一个运行在稳态层流的太阳能集热栩的理
论分析,在数学模型的分析中用到了一般坐标系下的有限容积方法.2003年Barnardes和Weinbe发展了一套更为全面的数学分析模型,来评估烟囱性能和各种外界因素结构尺寸对电力输出的影响,结果表明,烟囱高度,涡轮压降,集热棚的采光面积和光学特性都是设计烟囱时的重要参
数.2004年,南非的Backstrm和Gannon[45】发表了一篇专门研究太阳能烟囱
涡轮机特性的文章,文中推导出了分析方程,以说明各种参数对涡轮机效
率的影响.南非的VonBackstrom和Gannon对太阳能热风电厂内的可压缩
流动,系统内空气压降,系统热力循环和能量损失以及透平性能强化等进行了研究,提出了IGV（即用烟囱的底座作为烟囱的入口导叶）的概念,取得了一系列领先的研究成果.Ruprecht给出了200MW太阳能热风电厂的空气流动情况并设计了透平装置.给出了太阳能热风电厂的热力分析的计算机模拟,对未来太阳能热
风电厂的建造具有指导意义【4,引.
1.2.2国内的研究发展我国在太阳能发电方面主要集中在太阳能光伏电池的研究【3】.我国太阳能热发电技术与国外相比,差距较大.不少国家己实现太阳能热发电的商业化运行,而我国仅在70年代末做过小型太阳能热发电的研究（规模为kw）.在太阳能烟囱发电技术方面,我国学者潘垣等近年来致力于太阳能热气流技术的研究和推广,对我国太阳能资源分布状况,太阳能热发电技术及经济性分析进行了广泛的调研,认为在本世纪,大规模的太阳能热气流发电技术与核聚变发电技术,是使我国从根本上摆脱能源资源"瓶颈"约束的两个重要途径.华中科技大学环境科学与工程学院的杨家宽[3,7,8,9,101博士等承担了武汉市青年科技晨光计划项目,首次在国内建造了一座小型的太阳能烟囱发电实验装置:
太阳能集热棚直径为1Om,烟囱高8m,设计输出功率为1OW.对太阳能发电装置内部的温度场分布进行了测定,对整个装置的热转换效率进行了计算,对影响整个太阳能热转换效率的几个因素进行了研究分析;
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同时在三维圆柱坐标系下建立控制方程,应用VC++语言编程,利用SIMPLE方法对太阳能集热棚一烟囱发电系统温度场,压力场,流动场的分布进行了数值模拟计算,并与实验测量的结果进行对比研究;目前正在筹备建造一座50W太阳能烟囱式发电实验装置,拟对集热棚和烟囱内的传热和流动过程进行数值模拟研究.刘伟等根据太阳能烟囱电站内传热和流动的数学模
型,对系统在空载运行条件下进行数值模拟.通过求取热气流的温度,速
度和压力分布,分析系统的做功能力,得到了系统的输出功率随负荷的变化关系,并分析了在中国发展太阳能热气流电站的可行性.卫军【11·12】等推导了超高烟囱在风荷载及
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