基于西部太陽能煙囪熱氣流發(fā)電及應(yīng)用研究.pdf

1、太陽能煙囪發(fā)電技術(shù)是一種適宜大規(guī)模發(fā)電的熱氣流發(fā)電技術(shù)。我國特別是人煙稀少的西部地區(qū)具有發(fā)展大規(guī)模太陽能發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢：廣袤的荒地、巨大的山體高差、豐富的太陽能資源和日較差資源。太陽能煙囪熱氣流利用系統(tǒng)在西部地區(qū)有極大的應(yīng)用潛力。然而，太陽能煙囪發(fā)電技術(shù)能量轉(zhuǎn)換效率低、投資大、安全可靠性難以保證，至今仍未建成商業(yè)性電站，其基礎(chǔ)研究及應(yīng)用模式都有待深入研究。因此，研究和開發(fā)綜合成本低、運(yùn)行維護(hù)方便、適合西部地域特征的太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)服

2、務(wù)于西部能源與生態(tài)環(huán)境的改造具有巨大潛力和現(xiàn)實意義。 本文主要研究了基于西部特征的太陽能煙囪發(fā)電技術(shù)，重點開展了以下兩方面的研究。 （1）建造了國內(nèi)第一套小型太陽能煙囪發(fā)電實驗原型，并展開了相應(yīng)的實驗及數(shù)值模擬的基礎(chǔ)研究。 設(shè)計并建造了一套集熱棚直徑10 m，煙囪高8 m的小型太陽能煙囪發(fā)電實驗原型，并開展了實驗研究。實驗結(jié)果表明：在集熱棚內(nèi)，從入口向中部匯集過程中，空氣溫度逐漸升高，速度先減后增，在煙囪內(nèi)，隨著

3、高度增加，空氣溫度略有降低；不同天氣條件下，棚內(nèi)空氣溫度較高，晴天、陰天溫升可達(dá)到20 K和10 K以上，集熱棚有較好的溫室效應(yīng)；在早上，煙囪口附近出現(xiàn)逆溫層，而且逆溫層持續(xù)時間隨太陽輻射增強(qiáng)而變短，逆溫層的出現(xiàn)將使得太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行較為困難。 太陽能煙囪熱氣流發(fā)電系統(tǒng)中的流動和換熱模型解析以及模型應(yīng)用尚待明確的問題主要集中在空氣可壓縮性問題、集熱棚內(nèi)對流換熱系數(shù)確定、渦輪處壓降因子確定、渦輪發(fā)電機(jī)組模擬及效率問題、商業(yè)化

4、CFD軟件自帶浮升力模型模擬問題等。針對以上問題，本論文開展了三類太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)值模擬方法。編寫了SIMPLE類算法三維數(shù)值模型，用于對發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行三維模擬，方便研究者自行調(diào)節(jié)。通過編寫UDF定義流體密度和精確的浮升力項，對Fluent軟件進(jìn)行了二次開發(fā)，構(gòu)建一套三維可壓縮流浮升力模型，成功地克服了因商業(yè)化CFD軟件自帶浮升力模型假設(shè)過多的缺點而引起解的偏差較大的問題。編寫了“1+1”維可壓縮流數(shù)值模型，通過聯(lián)合熱網(wǎng)方程求解。該

5、模型包括了主要的流動阻力、渦輪處的壓降和溫降、隨高度而變的大氣壓力和溫度、集熱棚內(nèi)空氣的混合流（自然對流和強(qiáng)迫對流）等。該模型假設(shè)較少，基本上解決了現(xiàn)有模型應(yīng)用中尚需明確的問題。 通過將以上模型模擬的結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)或權(quán)威模型的計算結(jié)果比較，分別驗證了以上模型。這些模型為后續(xù)的研究創(chuàng)造了條件。討論了采用商業(yè)化CFD軟件自帶的浮升力模型——Boussinesq近似浮升力模型和全浮升力模型模擬大規(guī)模太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明

6、：以高1500 m、直徑160 m的大型煙囪為例，全浮升力模型和Boussinesq近似浮升力模型造成的發(fā)電量的偏差分別達(dá)到42％倍和33％倍。通過利用“1+1”維可壓縮流數(shù)值模型進(jìn)行計算，探討了太陽輻射強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)參數(shù)對太陽能煙囪系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：太陽能煙囪系統(tǒng)的發(fā)電功率隨太陽輻射強(qiáng)度、煙囪高度或棚直徑的增加而增加。 （2）基于分析西部地域特征，提出了幾種不同的太陽能煙囪熱氣流利用模式，并對大規(guī)模漂浮煙囪的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行

7、了分析，探討了大型太陽能煙囪對局部氣候的影響。 結(jié)合我國西部地域特點，提出了不同的太陽能熱氣流利用模式。首次提出了太陽能煙囪直接抽取地下水的概念，設(shè)計了太陽能煙囪直接抽取地下水模型，分析了在我國西北邊遠(yuǎn)地區(qū)，利用中小規(guī)模太陽能煙囪熱氣流系統(tǒng)抽取地下水提供生活用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水的可行性和經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果表明：中小規(guī)模太陽能煙囪熱氣流系統(tǒng)在電網(wǎng)輸入困難且風(fēng)力資源貧乏的偏遠(yuǎn)山區(qū)有很大的應(yīng)用潛力。討論了太陽能煙囪熱氣流抽水裝置的額定驅(qū)動功率

8、與服務(wù)人口規(guī)模和地下水源的關(guān)系。介紹了三類結(jié)合山體的復(fù)合式太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)的特性，從效率、建造難度、成本、安全等方面研究和評價了這三類山體復(fù)合式煙囪發(fā)電系統(tǒng)。和同緯度的傳統(tǒng)豎直煙囪系統(tǒng)相比，斜坡集熱棚式系統(tǒng)的效率最高，45 °傾角的斜坡集熱棚式系統(tǒng)的效率提高了近40％，建造在15 °傾角山腳上斜煙囪式和山洞煙囪式系統(tǒng)的效率提高了近20％。與高大山體結(jié)合的三類復(fù)合式發(fā)電系統(tǒng)可行性大、“煙囪”高、安全性好、投資較低，有效地解決了超高豎直煙

9、囪帶來的安全問題以及投資太大等問題。 對大氣風(fēng)力作用下的漂浮煙囪進(jìn)行了受力平衡分析，討論了大氣風(fēng)力和凈浮力對發(fā)電功率的影響規(guī)律。結(jié)果表明：大氣風(fēng)力越大或凈浮力越小，煙囪偏角將越大，發(fā)電功率將越小。漂浮煙囪更適用于大風(fēng)不頻繁的地區(qū)，地面主風(fēng)均速在3.5 m/s以下是比較適宜的條件。構(gòu)建了一套經(jīng)濟(jì)學(xué)模型，估算了大規(guī)模漂浮煙囪發(fā)電系統(tǒng)的最低銷售價格，表明了在考慮溫室氣體的減排效益且獲得低利率貸款情況下，200 MW以上大規(guī)模漂浮煙囪發(fā)

10、電系統(tǒng)的電力最低銷售價格低于0.58元/kW?h，可與火力發(fā)電水平相當(dāng)。 對大型太陽能煙囪出口暖濕氣流在高空冷大氣中的對流和換熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。首次提出了大型太陽能煙囪可能影響局部氣候。進(jìn)一步探討了降水的可能性和降水強(qiáng)度隨著煙囪結(jié)構(gòu)參數(shù)、氣象條件的變化規(guī)律，并討論了降水機(jī)會增加而產(chǎn)生的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)果表明：煙囪越高，相對濕度越大，或大氣風(fēng)速越小，降水的可能性和降水強(qiáng)度越大；水汽冷凝過程中釋放出的潛熱促進(jìn)來流繼續(xù)上升，