基于西部太阳能烟囱热气流发电及应用研究

【摘要】： 太阳能烟囱发电技术是一种适宜大规模发电的热气流发电技术。我国特别是人烟稀少的西部地区具有发展大规模太阳能发电系统的优势:广袤的荒地、巨大的山体高差、丰富的太阳能资源和日较差资源。太阳能烟囱热气流利用系统在西部地区有极大的应用潜力。然而,太阳能烟囱发电技术能量转换效率低、投资大、安全可靠性难以保证,至今仍未建成商业性电站,其基础研究及应用模式都有待深入研究。因此,研究和开发综合成本低、运行维护方便、适合西部地域特征的太阳能热气流发电系统服务于西部能源与生态环境的改造具有巨大潜力和现实意义。 本文主要研究了基于西部特征的太阳能烟囱发电技术,重点开展了以下两方面的研究。 (1)建造了国内第一套小型太阳能烟囱发电实验原型,并展开了相应的实验及数值模拟的基础研究。 设计并建造了一套集热棚直径10 m,烟囱高8 m的小型太阳能烟囱发电实验原型,并开展了实验研究。实验结果表明:在集热棚内,从入口向中部汇集过程中,空气温度逐渐升高,速度先减后增,在烟囱内,随着高度增加,空气温度略有降低;不同天气条件下,棚内空气温度较高,晴天、阴天温升可达到20 K和10 K以上,集热棚有较好的温室效应;在早上,烟囱口附近出现逆温层,而且逆温层持续时间随太阳辐射增强而变短,逆温层的出现将使得太阳能烟囱发电系统运行较为困难。太阳能烟囱热气流发电系统中的流动和换热模型解析以及模型应用尚待明确的问题主要集中在空气可压缩性问题、集热棚内对流换热系数确定、涡轮处压降因子确定、涡轮发电机组模拟及效率问题、商业化CFD软件自带浮升力模型模拟问题等。针对以上问题,本论文开展了三类太阳能烟囱发电系统的数值模拟方法。编写了SIMPLE类算法三维数值模型,用于对发电系统进行三维模拟,方便研究者自行调节。 通过编写UDF定义流体密度和精确的浮升力项,对Fluent软件进行了二次开发,构建一套三维可压缩流浮升力模型,成功地克服了因商业化CFD软件自带浮升力模型假设过多的缺点而引起解的偏差较大的问题。编写了“1+1”维可压缩流数值模型,通过联合热网方程求解。该模型包括了主要的流动阻力、涡轮处的压降和温降、随高度而变的大气压力和温度、集热棚内空气的混合流(自然对流和强迫对流)等。该模型假设较少,基本上解决了现有模型应用中尚需明确的问题。 通过将以上模型模拟的结果与实验数据或权威模型的计算结果比较,分别验证了以上模型。这些模型为后续的研究创造了条件。讨论了采用商业化CFD软件自带的浮升力模型——Boussinesq近似浮升力模型和全浮升力模型模拟大规模太阳能烟囱发电系统的准确性。结果表明:以高1500 m、直径160 m的大型烟囱为例,全浮升力模型和Boussinesq近似浮升力模型造成的发电量的偏差分别达到42%倍和33%倍。通过利用“1+1”维可压缩流数值模型进行计算,探讨了太阳辐射强度、结构参数对太阳能烟囱系统性能的影响规律。结果表明:太阳能烟囱系统的发电功率随太阳辐射强度、烟囱高度或棚直径的增加而增加。 (2)基于分析西部地域特征,提出了几种不同的太阳能烟囱热气流利用模式,并对大规模漂浮烟囱的经济性进行了分析,探讨了大型太阳能烟囱对局部气候的影响。 结合我国西部地域特点,提出了不同的太阳能热气流利用模式。首次提出了太阳能烟囱直接抽取地下水的概念,设计了太阳能烟囱直接抽取地下水模型,分析了在我国西北边远地区,利用中小规模太阳能烟囱热气流系统抽取地下水提供生活用水和农业灌溉用水的可行性和经济性,结果表明:中小规模太阳能烟囱热气流系统在电网输入困难且风力资源贫乏的偏远山区有很大的应用潜力。讨论了太阳能烟囱热气流抽水装置的额定驱动功率与服务人口规模和地下水源的关系。介绍了三类结合山体的复合式太阳能烟囱发电系统的特性,从效率、建造难度、成本、安全等方面研究和评价了这三类山体复合式烟囱发电系统。和同纬度的传统竖直烟囱系统相比,斜坡集热棚式系统的效率最高,45°倾角的斜坡集热棚式系统的效率提高了近40%,建造在15°倾角山脚上斜烟囱式和山洞烟囱式系统的效率提高了近20%。与高大山体结合的三类复合式发电系统可行性大、“烟囱”高、安全性好、投资较低,有效地解决了超高竖直烟囱带来的安全问题以及投资太大等问题。 对大气风力作用下的漂浮烟囱进行了受力平衡分析,讨论了大气风力和净浮力对发电功率的影响规律。结果表明:大气风力越大或净浮力越小,烟囱偏角将越大,发电功率将越小。漂浮烟囱更适用于大风不频繁的地区,地面主风均速在3.5 m/s以下是比较适宜的条件。构建了一套经济学模型,估算了大规模漂浮烟囱发电系统的最低销售价格,表明了在考虑温室气体的减排效益且获得低利率贷款情况下,200 MW以上大规模漂浮烟囱发电系统的电力最低销售价格低于0.58元/kW·h,可与火力发电水平相当。 对大型太阳能烟囱出口暖湿气流在高空冷大气中的对流和换热过程进行了数值模拟研究。首次提出了大型太阳能烟囱可能影响局部气候。进一步探讨了降水的可能性和降水强度随着烟囱结构参数、气象条件的变化规律,并讨论了降水机会增加而产生的环境、经济效益。结果表明:烟囱越高,相对湿度越大,或大气风速越小,降水的可能性和降水强度越大;水汽冷凝过程中释放出的潜热促进来流继续上升,从而增大降水面积。 本论文的研究成果为太阳能烟囱电站在我国西部地区的实际建立和优化设计提供了一定的理论上的依据和指导。 【关键词】：太阳能热气流发电 漂浮烟囱 集热棚 西部地域 山体复合式 数值模拟 可压缩流
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TM619
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 第一部分 太阳能烟囱热气流发电技术及系统的评述15-45
• 1 绪论16-42
• 1.1 全球的能源、环境问题及可再生清洁能源的开发利用16-18
• 1.2 我国化石能源紧缺和可再生能源开发18-20
• 1.3 太阳能烟囱热气流发电技术的介绍20-23
• 1.3.1 太阳能烟囱热气流发电技术的工作原理20-21
• 1.3.2 太阳能烟囱热气流发电技术的特点21-23
• 1.4 新型结构烟囱发电技术的提出与发电系统的发展23-24
• 1.5 太阳能烟囱热气流发电技术的现状与发展24-42
• 1.5.1 实验原型研究现状25-28
• 1.5.2 国外相关流动换热模型及模拟研究现状28-29
• 1.5.3 国内相关流动换热模型及模拟研究现状29-31
• 1.5.4 模型的几类常用求解方法31-34
• 1.5.5 模型解析中还需明确的若干问题34-39
• 1.5.6 太阳能烟囱发电技术应用中还有待明确的若干问题39-42
• 2 本论文的主要研究内容和研究路线42-45
• 2.1 主要研究内容42-43
• 2.2 研究路线43-44
• 2.3 立项及主要资助来源44-45
• 第二部分 基础研究部分45-109
• 3 太阳能烟囱发电装置建造及实验研究46-58
• 3.1 实验装置结构设计46-47
• 3.2 实验装置的建造及数据测量47-49
• 3.2.1 实验装置建造47-49
• 3.2.2 数据测量49
• 3.3 实验结果分析49-57
• 3.3.1 性能分析50-52
• 3.3.2 一天内变化52-57
• 3.4 本章小结57-58
• 4 太阳能烟囱发电系统的数值模拟的基本方法58-96
• 4.1 C 语言编写SIMPLE 算法数值模型58-86
• 4.1.1 对流换热的数值计算方法介绍58-73
• 4.1.2 太阳能烟囱三维SIMPLE 算法数值模型73-86
• 4.2 二次开发Fluent 模型86-88
• 4.3 Matlab 编写“1+1”维数值模型88-94
• 4.3.1 集热棚效应89-92
• 4.3.2 涡轮92
• 4.3.3 烟囱效应92-93
• 4.3.4 电功率输出93-94
• 4.4 本章小结94-96
• 5 模型的验证和应用96-109
• 5.1 C 语言编写SIMPLE 算法数值模型验证96-98
• 5.2 二次开发Fluent 模型验证98-103
• 5.3 Matlab 编写“1+1”维数值模型验证103-105
• 5.4 大规模电站模拟分析105-107
• 5.5 本章小结107-109
• 第三部分 西部应用研究部分109-175
• 6 西部地域特点的研究及太阳能分布特点110-117
• 6.1 西部的地域特征及太阳能分布特点110-114
• 6.1.1 太阳辐射量丰富110-111
• 6.1.2 日较差大111-112
• 6.1.3 广阔的荒地资源、巨大的山体高差资源与脆弱的荒漠化生态环境112-114
• 6.2 适合于我国西部地域特点的太阳能热气流发电系统114-115
• 6.2.1 西部的地域特点适合于大力发展太阳能热气流发电技术114-115
• 6.2.2 适合于不同西部地域特点的五类太阳能热气流利用技术115
• 6.3 本章小结115-117
• 7 中小规模太阳能烟囱系统及其抽水系统应用117-127
• 7.1 淡水资源缺乏现状和抽取地下水资源的重要性117-119
• 7.2 太阳能烟囱直接抽取地下水的必要性119-120
• 7.3 太阳能烟囱直接抽取地下水的模型设计120-122
• 7.4 太阳能烟囱直接抽取地下水的实例分析122
• 7.5 太阳能烟囱直接抽取地下水的潜力研究122-125
• 7.6 本章小结125-127
• 8 山体复合式太阳能热气流发电系统127-139
• 8.1 斜坡集热棚式太阳能热气流发电系统127-130
• 8.1.1 斜坡集热棚式太阳能热气流发电系统的提出127-128
• 8.1.2 斜坡集热棚式太阳能热气流发电系统有效太阳辐射公式128-130
• 8.2 依附于大坡度高山体的斜烟囱式太阳能热气流发电系统130-131
• 8.3 山洞烟囱式太阳能热气流发电系统131-133
• 8.4 三类山体复合式太阳能热气流发电系统的性能分析133-137
• 8.5 本章小结137-139
• 9 大规模太阳能漂浮烟囱热气流发电系统139-157
• 9.1 太阳能漂浮烟囱发电技术的提出139-141
• 9.2 漂浮烟囱在大气中受力平衡公式141-143
• 9.3 太阳能漂浮烟囱发电系统的性能分析143-144
• 9.4 太阳能漂浮烟囱发电系统的经济性分析144-156
• 9.4.1 投资估算145-146
• 9.4.2 现金流模型146-149
• 9.4.3 发电成本估算149-153
• 9.4.4 与竖直钢筋混凝土烟囱的经济性比较153-154
• 9.4.5 与其他可再生能源发电系统的经济性比较154-156
• 9.5 本章小结156-157
• 10 大规模太阳能热气流系统对局部气候的影响157-175
• 10.1 三维可压缩湍流模型157-161
• 10.2 典型实例研究161-166
• 10.3 随烟囱尺寸和气象条件变化166-171
• 10.3.1 随烟囱高度变化166-168
• 10.3.2 随大气风速变化168-169
• 10.3.3 随大气相对湿度变化169-170
• 10.3.4 潜热作用170-171
• 10.4 环境效益分析171-173
• 10.5 本章小结173-175
• 第四部分 全文总结175-180
• 11 结论及创新点176-179
• 11.1 主要结论176-178
• 11.2 创新点178-179
• 12 存在的问题及建议179-180
• 12.1 存在的问题179
• 12.2 建议179-180
• 致谢180-181
• 参考文献181-194
• 附录1 攻读博士期间所发表论文及著作194-197
• 附录2 本文主要符号表197-201

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