基于西部太陽(yáng)能煙囪熱氣流發(fā)電及應(yīng)用研究.pdf

1、太陽(yáng)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(guó)特別是人煙稀少的西部地區(qū)具有發(fā)展大規(guī)模太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)：廣袤的荒地、巨大的山體高差、豐富的太陽(yáng)能資源和日較差資源。太陽(yáng)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(yáng)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(kāi)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(yáng)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(shí)意義。 本文主要研究了基于西部特征的太陽(yáng)能煙囪發(fā)電技術(shù)，重點(diǎn)開(kāi)展了以下兩方面的研究。 （1）建造了國(guó)內(nèi)第一套小型太陽(yáng)能煙囪發(fā)電實(shí)驗(yàn)原型，并展開(kāi)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬的基礎(chǔ)研究。 設(shè)計(jì)并建造了一套集熱棚直徑10 m，煙囪高8 m的小型太陽(yáng)能煙囪發(fā)電實(shí)驗(yàn)原型，并開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在集熱棚內(nèi)，從入口向中部匯集過(guò)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(shí)間隨太陽(yáng)輻射增強(qiáng)而變短，逆溫層的出現(xiàn)將使得太陽(yáng)能煙囪發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行較為困難。 太陽(yáng)能煙囪熱氣流發(fā)電系統(tǒng)中的流動(dòng)和換熱模型解析以及模型應(yīng)用尚待明確的問(wèn)題主要集中在空氣可壓縮性問(wèn)題、集熱棚內(nèi)對(duì)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(wèn)題、商業(yè)化

4、CFD軟件自帶浮升力模型模擬問(wèn)題等。針對(duì)以上問(wèn)題，本論文開(kāi)展了三類太陽(yáng)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(duì)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(guò)編寫UDF定義流體密度和精確的浮升力項(xiàng)，對(duì)Fluent軟件進(jìn)行了二次開(kāi)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(guò)多的缺點(diǎn)而引起解的偏差較大的問(wèn)題。編寫了“1+1”維可壓縮流數(shù)值模型，通過(guò)聯(lián)合熱網(wǎng)方程求解。該

5、模型包括了主要的流動(dòng)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(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)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(wèn)題。 通過(guò)將以上模型模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或權(quán)威模型的計(jì)算結(jié)果比較，分別驗(yàn)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(yáng)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(guò)利用“1+1”維可壓縮流數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算，探討了太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)太陽(yáng)能煙囪系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：太陽(yáng)能煙囪系統(tǒng)的發(fā)電功率隨太陽(yáng)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(yáng)能煙囪熱氣流利用模式，并對(duì)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(yáng)能煙囪對(duì)局部氣候的影響。 結(jié)合我國(guó)西部地域特點(diǎn)，提出了不同的太陽(yáng)能熱氣流利用模式。首次提出了太陽(yáng)能煙囪直接抽取地下水的概念，設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能煙囪直接抽取地下水模型，分析了在我國(guó)西北邊遠(yuǎn)地區(qū)，利用中小規(guī)模太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能煙囪熱氣流抽水裝置的額定驅(qū)動(dòng)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(yáng)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(píng)價(jià)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(lái)的安全問(wèn)題以及投資太大等問(wèn)題。 對(duì)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(duì)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(jià)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(jià)格低于0.58元/kW?h，可與火力發(fā)電水平相當(dāng)。 對(duì)大型太陽(yáng)能煙囪出口暖濕氣流在高空冷大氣中的對(duì)流和換熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。首次提出了大型太陽(yáng)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(huì)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(duì)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(guò)程中釋放出的潛熱促進(jìn)來(lái)流繼續(xù)上升，