一种新型的太阳能热气流发电系统.pdf

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lD(掣+÷挈)=一五8pT．再3((产h)a砒x八J+窑+土掣：0一种新型的太阳能热气流发电系统李卉梓1陈念桥2李俊3明廷臻3刘伟3周洲3雷许国良31数学物理模型钰3与传统发电方式相比，太阳能热气流发电系统具有设计简单、取材方便、运行可靠、运动部件少、维修方便、成本低、无环境污染、昼夜运行连续稳定、使用周期长等特点，成为可再生能源发电的一种新方式，应用前景广阔[1]。太阳能热气流发电技术是太阳能利用发展进程中具有前瞻性的技术，对世界化石能源替代、环境改善和生态重建等领域具有重要意义，故太阳能气流发电技术是目前太阳能研究领域的热点之一[1~8]。近年来，我国也加大了这一技术的研究力度。2003年华中科技大学潘垣院士在我国大力倡导太阳能热气流发电技术并积极开展研究[。]。2002年12月国内第一个太阳能烟囱在华中科技大学建成，负责有关项目实验及数值模拟研究。影响太阳能热气流发电系统经济性的主要因素为烟囱、集热棚、透平和系统效率等。其中，集热棚占地面积大，还需考虑土地、材料等费用。若采用缩小集热棚面积，并能获得相近的传热与流动特性参数的太阳能热气流发电系统设计，即能实现优化目标。鉴此，本文提出了一种螺旋集热型的新型太阳能热气流发电系统，并对此系统进行流动与传热特性分析，与现有太阳能热气流发电试验示范系统进行对比，结果表明该系统较经济，具有商业优势。物理模型为与西班牙太阳能热气流试验电站[1]对比，建立的螺旋集热型太阳能热气流发电系统的基本几何模型如图1所示。其中1为烟囱，2为墙壁，3为集热棚进口。烟囱高200m，直径10m，集热棚半径90m，中间设置8个螺旋式隔墙，流体沿平行于螺旋形隔墙的方向向中心流动，最后进入烟囱。为减少阻力损失，集热棚与烟囱光滑连接，且在棚出口底部采用收缩流道设计；集热棚顶为透明玻璃。1．2流动与传热特性数学模型集热棚和烟囱内的流体流动应为旺盛的湍流区。相应的连续性方程、NS方程、能量方程和湍流方程的二维轴对称形式为：第27卷第3期水电能源科学Water(1．华中科技大学电子科学与技术系，湖北武汉430074；2．华中科技大学基建处，湖北武汉430074；3．华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉430074)摘要：提出了一种螺旋集热型太阳能热气流发电系统，建立了该系统的流动与传热特性数学模型。数值模拟结果表明，与西班牙太阳能热气流试验电站相比，在烟囱出口流动与传热特性参数及输出功率相同情况下，螺旋集热型太阳能热气流的集热棚半径减少了25％，占地面积减少了44％，具有较明显的经济性和商业优势。关键词：太阳能热气流发电；螺旋集热；集热棚；烟囱；透平中图分类号：TK515文献标志码：A新型太阳能热气流发电系统集热棚结构(1)基金项目：教育部重点研究基金资助项目(104127)作者简介：李卉梓(1988一)，女，研究方向为太阳能发电技术，E-mail：[e-mail]通讯作者：明廷臻(1976一)，男，讲师，研究方向为新能源发电及强化传热新技术，E-mail：mtzhen(园163．tom9年6月June．2文章编号：1000—7709(2009)03·0223—041．1图1newpower收稿日期：2009—04—07，修回日期：2009—05—1420ResourcesandPowerV01．27No．39Fig．1Collectorconfigurationoftypesolarchimneygenerationsystem
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P(警+÷挈)=岳((参+等)瑟)+P(掣+专挈)一丢(c卢h，髦)+P(掣+专掣)一毫((产+等)恚)+lD(掣-4IDI—瓦_十了—F』一、O圳TI。=h(L—Te)专未(c产+p。，r雾)专导(r(参+等)雾)8(drv，．k)，一丢((卢+a刑oda；k)+÷导((卢+等)r万ak)+Gk—Pe吾未((∥+等)，-等)+詈cc。Gt一叩e，o((卢+卢加万au)Gk=一扁7MT，O忑ujlDll7J3瓦II声十=7瓦厂卜㈤I卢crk，d；广【^一5．7+3．8V。d，．，一五l2结果与分析计算系统内流体流动时采用标准h模型，其中式中，“为轴向速度；口为径向速度；r为径向坐标；z为轴向坐标；JD为空气密度；夕为空气压力；P为空气动力粘度；弘。为湍流粘性；丁为空气绝对温度；P，为普朗特数；￡为湍流热扩散率；G。为由于平均速度梯度引起的湍流动能产生项；drt、O't为k-e方程常数。1．3定解条件与求解集热棚进口、烟囱出口分别采用压力进、出口边界‘4|。假设太阳辐射强度为800W／m2，当其照射至棚内地表时，相当于给定地表的热流密度。集热棚顶棚和烟囱表面均采用第三类边界条件，假定环境温度为293K，则集热棚顶棚和烟囱壁面条件为：式中