太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)能效分析與優(yōu)化

肖寒，賈利訪，畢克，上官新剛

(1.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003;2.上海通華燃?xì)廨啓C(jī)服務(wù)有限公司，上海 200003;3.中國華電集團(tuán)公司 上海分公司，上海 200003;4.上海華電閔行能源有限公司，上海 201108)

0 引言

世界能源需求量不斷增加進(jìn)一步加劇了可用能源的短缺，而且當(dāng)前可用能源石油和煤炭的利用對環(huán)境造成破壞且其本身不可再生。因此，急需開發(fā)可再生能源和清潔能源的利用技術(shù)來解決當(dāng)前問題。太陽能煙囪發(fā)電技術(shù)是一種大規(guī)模發(fā)電技術(shù)，其利用太陽能產(chǎn)生風(fēng)驅(qū)動風(fēng)力透平來生產(chǎn)電能，該技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、清潔等優(yōu)點(diǎn)。

西班牙Manzanares太陽能煙囪發(fā)電廠原型［1］表明，太陽能煙囪是一種實(shí)用的太陽能發(fā)電技術(shù)。1983 年和 1984 年，Haafw，F(xiàn)riedrich K 等［1－2］以西班牙的原型電廠為依托進(jìn)行基礎(chǔ)研究，討論了該原型的能量平衡、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和成本，并公布了初步測試結(jié)果。目前，世界各國對太陽能煙囪發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，但有很多問題尚待解決，且主要集中在以下2個(gè)方面:

(1)太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率較低;

(2)太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)的投資成本較高。

本文以西班牙Manzanares太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)原型作為研究對象，建立數(shù)值模型，應(yīng)用Fluent軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，研究太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)溫度場、壓力場和速度場的分布情況，計(jì)算系統(tǒng)的可用發(fā)電功率。利用正交試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果分析太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)中不同結(jié)構(gòu)尺寸對發(fā)電功率和效率的影響，并得出系統(tǒng)最佳結(jié)構(gòu)尺寸。

1 系統(tǒng)模型

1.1 模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

采用西班牙Manzanares太陽能煙囪電廠的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。集熱器入口高度為he，煙囪高度為h3，集熱器出口高度為h1，透平高度為hT，集熱器直徑為df，煙囪入口直徑為d1，煙囪出口直徑為d2。結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

表1 西班牙Manzanares太陽能煙囪電廠結(jié)構(gòu)參數(shù) m

1.2 模型假設(shè)

(1)為簡化模型，不考慮太陽能煙囪內(nèi)部設(shè)備對空氣流動的影響。

(2)地板對底層土壤沒有散熱損失，即認(rèn)為熱量被空氣全部吸收。

(3)煙囪壁為黑體。

(4)頂板透射率為95%，另外5%被反射掉。

(5)沒有內(nèi)熱源，認(rèn)為太陽輻射為唯一熱源。

(6)流動過程為穩(wěn)態(tài)、常物性。

(7)空氣被認(rèn)為是參數(shù)滿足狀態(tài)方程的理想氣體，p=ρRT，比熱為定值。

(8)空氣是完全透明的，不影響輻射，透光率約等于1，發(fā)射率約等于0。

(9)整個(gè)系統(tǒng)中空氣是無摩擦的。

2 Fluent數(shù)值模擬

2.1 模型繪制及網(wǎng)格劃分

太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)整體呈軸對稱結(jié)構(gòu)，所以可以采用二維圖來進(jìn)行模擬。在劃分網(wǎng)格時(shí)，將模型分為5個(gè)部分，分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以得到結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。集熱器部分氣流速度、溫度變化較大，所繪制的網(wǎng)格較密集，而在煙囪部分所繪制的網(wǎng)格較稀疏，并且盡可能使網(wǎng)格接近正方形，以利于模擬收斂。

所建模型如圖2所示，網(wǎng)格采用了Map方法繪制，網(wǎng)格總數(shù)為34700個(gè)。集熱器進(jìn)口和煙囪出口采用了壓力入口和壓力出口邊界條件。

圖2 平面模型及網(wǎng)格

2.2 邊界條件

(1)太陽能煙囪系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

(2)邊界溫度:集熱棚壁面溫度參照文獻(xiàn)［3］取為316K;集熱棚入口取為常溫293K;煙囪出口根據(jù)煙囪高度，考慮沿高度衰減率后確定氣流的回流溫度。

(3)邊界速度:集熱棚壁面、地面、煙囪壁面氣流速度均為0。

(4)集熱棚入口以及煙囪出口采用壓力邊界條件，集熱棚入口壓力采用1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101325 Pa，按照壓力沿高度方向衰減的規(guī)律推算出煙囪出口的壓力。

3 系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率

3.1 集熱棚熱轉(zhuǎn)換效率

集熱棚下方地面吸收太陽能加熱其上方流動空氣，地面吸收的總太陽能為

式中:τd為集熱棚蓋板透光率;εf為地面發(fā)射率，εf=1;S為太陽輻射強(qiáng)度，W/m2;Ad為集熱棚蓋板面積，m2。

集熱棚中空氣溫度由進(jìn)口處的環(huán)境溫度T0被加熱到出口溫度Ta1，則單位時(shí)間內(nèi)空氣焓增為

式中:m為空氣質(zhì)量流率，kg/s;cp為定壓比熱容，J/(kg·K)。

集熱棚內(nèi)空氣處于低速狀態(tài)，吸熱時(shí)間長，空氣溫升較明顯，因此該處空氣焓增較明顯;集熱棚進(jìn)出口面積變化小，空氣受熱后密度變小，由連續(xù)性方程得知集熱棚出口空氣速度較大;集熱棚所處位置一般地勢平坦，位能變化可忽略不計(jì)，因此，集熱棚內(nèi)空氣過程熱量Q≈Ea1。

集熱棚蓋板面積為Ad，則集熱棚熱轉(zhuǎn)換效率為

3.2 煙囪能量轉(zhuǎn)換效率

煙囪入口處熱氣流所具有的動能為

式中:w1為集熱棚出口氣流速度，m/s。

氣流動能的獲得是來自于氣流的熱能Q，因此煙囪內(nèi)能量轉(zhuǎn)換效率可定義為

3.3 透平能量轉(zhuǎn)換效率

透平位于煙囪底部，其將氣流的動能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，進(jìn)而帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。系統(tǒng)內(nèi)上升氣流最大可用能為

理想情況下透平最大輸出功率為

式中:ηp為透平能量轉(zhuǎn)換效率。

設(shè)透平與發(fā)電機(jī)傳動機(jī)構(gòu)的效率為ηwt，則系統(tǒng)最大輸出發(fā)電功率為

4 正交試驗(yàn)

由上節(jié)對系統(tǒng)效率的分析可知，影響系統(tǒng)性能的主要因子有集熱器直徑df、太陽輻射強(qiáng)度S、集熱器進(jìn)口高度he及煙囪高度h3，將4個(gè)因子按L9(34)正交表進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)各因子的可能取值范圍，決定在該試驗(yàn)中采用表2中的標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)果與分析

采用第2章節(jié)中的模擬方法，利用FLuent軟件對上述試驗(yàn)方案進(jìn)行計(jì)算，得到各個(gè)試驗(yàn)條件下太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部氣流的壓力場、速度場和溫度場。0，1，2，3 截面的壓力、速度、溫度平均值見表3。

根據(jù)式(1)～式(8)計(jì)算得到系統(tǒng)內(nèi)上升氣流最大可用能Pch、理想情況下透平最大輸出功率Pmax和太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)最大的輸出發(fā)電功率Pmax。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，透平的能量轉(zhuǎn)換效率ηp在理想情況下的最大值為 0.6［3－4］，傳動機(jī)構(gòu)及電機(jī)的效率 ηwt近似取 0.8［5－6］。

表2 正交試驗(yàn)計(jì)劃

表3 正交試驗(yàn)中Fluent求得0，1，2，3截面壓力、速度、溫度平均值

取理想情況下透平最大輸出功率Pmax作為太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)性能考察指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果見表4。

以理想情況下透平最大輸出功率Pmax作為指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果見表5，其中:T1，T2，T3為3次試驗(yàn)結(jié)果的和;Taverage1，Taverage2，Taverage3為某因子下各水平對應(yīng)理想情況下透平最大輸出功率Pmax的平均值;R為各因子極差均值。

根據(jù)以上極差分析可以得出如下結(jié)論:

(1)以Pmax作為系統(tǒng)性能評價(jià)指標(biāo)時(shí)，因子C集熱器進(jìn)口高度he對系統(tǒng)性能影響最大，4個(gè)因子對系統(tǒng)性能影響程度的大小為:C＞A＞D＞B。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

表5 Pmax作為系統(tǒng)性能考察指標(biāo)的正交試驗(yàn)結(jié)果

(2)A3，B1，C3，D1組合對應(yīng)的系統(tǒng)性能最優(yōu)，對應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為:集熱器直徑df，280 m;太陽輻射強(qiáng)度 S，600 W/m2;集熱器進(jìn)口高度 he，0.4 m;煙囪高度 h3，185 m。

6 結(jié)論

(1)在太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)中影響系統(tǒng)性能的因子有集熱器直徑、太陽輻射、集熱器進(jìn)口高度及煙囪高度。

(2)集熱器進(jìn)口高度為影響系統(tǒng)性能的最主要因子，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先保證因子C取最好水平，在本文中取C3，即集熱器進(jìn)口高度he=0.4 m。

(3)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為集熱器直徑df=280 m，太陽輻射強(qiáng)度S=600 W/m2，集熱器進(jìn)口高度he=0.4 m，煙囪高度 h3=185 m。

［1］Haaf W，F(xiàn)riedrich K，Mayer G，et al.Solar Chimneys-part I:Principle and Construction of the Pilot Plant in Manzanares［J］.International Journal of Solar Energy，1983，2(1):3－20.

［2］Haaf W.Solar Chimneys-part II:Preliminary Test Results from the Manzanares Pilot Plant［J］.International Journal of Sustainable Energy，1984，3(2):141 －161.

［3］張建鋒.太陽能煙囪溫度場流動場數(shù)值模擬研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2003:1－23.

［4］葛新石，葉宏.太陽煙囪發(fā)電系統(tǒng)及其固有的熱力學(xué)不完善性分析［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2004，25(2):263 －268.

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