太阳能烟囱发电系统能效分析与优化

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1、第35卷第7期华电技术Vo1．35No．72013年7月HuadianTechnologyJu1．2013太阳能烟囱发电系统能效分析与优化肖寒，贾利访，毕克，上官新刚(1．华北电力大学，河北保定071003；2．上海通华燃气轮机服务有限公司，上海200003；3．中国华电集团公司上海分公司，上海200003；4．上海华电闵行能源有限公司，上海201108)摘要：利用计算流体力学软件Fluent对西班牙Manzanares太阳能烟囱发电系统进行数值模拟，得到太阳能烟囱发电系统内部温度场、压力场和速度场的分布情况，计算系统的可用发电功率。利用正交试验，结合

2、数值模拟结果分析太阳能烟囱发电系统中不同影响因素对系统性能的影响，得出系统最佳结构参数组合。关键词：太阳能烟囱；发电系统；数值模拟；正交试验；系统性能中图分类号：TK514文献标志码：B文章编号：1674—1951(2013)07—0072—04构数据进行建模，其整体结构如图1所示。集热器0引言人口高度为h，烟囱高度为h，，集热器出口高度为世界能源需求量不断增加进一步加剧了可用能h，透平高度为h，集热器直径为d，，烟囱人口直径源的短缺，而且当前可用能源石油和煤炭的利用对为d，烟囱出口直径为d。结构参数见表1。环境造成破坏且其本身不可再生。因此，急需开发

3、d一可再生能源和清洁能源的利用技术来解决当前问一题。太阳能烟囱发电技术是一种大规模发电技术，／／．其利用太阳能产生风驱动风力透平来生产电能，该技术具有结构简单、清洁等优点。西班牙Manzanares太阳能烟囱发电厂原型：><表明，太阳能烟囱是一种实用的太阳能发电技术。～集热器1983年和1984年，Haafw，FriedrichK等卜以西JL_r．dJ地l班牙的原型电厂为依托进行基础研究，讨论了该原_——型的能量平衡、设计标准和成本，并公布了初步测试^df。’一结果。目前，世界各国对太阳能烟囱发电技术进行图1太阳能烟囱发电系统结构简图了大量的理论和实验

4、研究，但有很多问题尚待解决，表1西班牙Manzanares太阳能烟囱且主要集中在以下2个方面：电厂结构参数m(1)太阳能烟囱发电系统的能量转换效率较低；符号参数符号参数(2)太阳能烟囱发电系统的投资成本较高。df240h3195本文以西班牙Manzanares太阳能烟囱发电系d11697hT1统原型作为研究对象，建立数值模型，应用Fluent软．d217．84h0．3件进行了数值模拟计算，研究太阳能烟囱发电系统h，4．24内温度场、压力场和速度场的分布情况，计算系统的可用发电功率。利用正交试验，结合数值模拟结果1．2模型假设分析太阳能烟囱发电系统中不同

5、结构尺寸对发电功(1)为简化模型，不考虑太阳能烟囱内部设备率和效率的影响，并得出系统最佳结构尺寸。对空气流动的影响。(2)地板对底层土壤没有散热损失，即认为热1系统模型量被空气全部吸收。1．1模型结构参数(3)烟囱壁为黑体。采用西班牙Manzanares太阳能烟囱电厂的结(4)顶板透射率为95％，另外5％被反射掉。(5)没有内热源，认为太阳辐射为唯一热源。收稿日期：2013—03—06(6)流动过程为稳态、常物性。第7期肖寒，等：太阳能烟囱发电系统能效分析与优化·73·(7)空气被认为是参数满足状态方程的理想气气，地面吸收的总太阳能为E体，P：pRT，

6、比热为定值。一f=丁df鲋d，(1)(8)空气是完全透明的，不影响辐射，透光率约式中：为集热棚盖板透光率；为地面发射率，等于1，发射率约等于0。=1；5为太阳辐射强度，W／m；A为集热棚盖板(9)整个系统中空气是无摩擦的。面积，m。集热棚中空气温度由进口处的环境温度被2Fluent数值模拟加热到出口温度，则单位时间内空气焓增为2．1模型绘制及网格划分E=mc。(一)，(2)太阳能烟囱发电系统整体呈轴对称结构，所以式中：为空气质量流率，kg／s；C。为定压比热容，可以采用二维图来进行模拟。在划分网格时，将模J／(kg·K)。型分为5个部分，分别进行网格划

7、分，以得到结构化集热棚内空气处于低速状态，吸热时间长，空气网格。集热器部分气流速度、温度变化较大，所绘制温升较明显，因此该处空气焓增较明显；集热棚进出的网格较密集，而在烟囱部分所绘制的网格较稀疏，口面积变化小，空气受热后密度变小，由连续性方程并且尽可能使网格接近正方形，以利于模拟收敛。得知集热棚出口空气速度较大；集热棚所处位置一所建模型如图2所示，网格采用了Map方法绘般地势平坦，位能变化可忽略不计，因此，集热棚内制，网格总数为34700个。集热器进口和烟囱出口空气过程热量0E。采用了压力人口和压力出口边界条件。集热棚盖板面积为A，则集热棚热转换效率为

8、7⋯]eoll—SA一一一一ddl二r3、l鲋。、l3．2烟囱能量转换效率}烟囱入口处热气流所