太阳能热风发电系统主要部件对其性能影响的研究

【摘要】：太阳能热风发电技术是一种适宜大规模发电的热气流发电技术。我国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。本文基于太阳能热气流发电系统内流动与传热过程的热力学理论，对集热棚半径、涡轮压降以及烟囱形状对系统性能的影响进行了研究，取得如下一些有意义的研究成果。 ①双层集热棚热风系统和单层集热棚热风系统性能对比表明双层集热棚系统性能更佳，原因就在于双层结构的集热棚保温效果好、空气温升更高。功率随涡轮压降及集热棚半径变化的原因在于空气温升及体积流量受涡轮压降及集热棚半径的影响。首次对系统内空气温度沿流动方向的变化情况进行了分析。不同涡轮压降及集热棚半径下，空气温升过程呈现出不同状态：空气温升趋势沿流程一直持续以及空气温升仅存在于流程前段而在后段空气温度保持恒定两种情况。温升状态在整个流程一直持续对应的集热棚半径可适当增加从而增大系统功率，而另一种情况下水平温度段所占比例越大说明集热棚利用率越低，指导工程运用中无限制的增加集热棚半径是无意义的，如太阳辐射强度为600W/m2,涡轮压降为240Pa时，集热棚半径值不大于440m。 ②“抽力”与体积流量间函数以最佳流量为分界点呈不同关系：低于最佳流量时，“抽力”是流量的一次函数；大于最佳流量时，“抽力”是流量的幂函数，其指数m与最佳压降比f opt存在关系fopt (2m)/3，通过幂函数求得的系统最大功率、最佳涡轮压降比与实际值的误差均在3.5%内；随集热棚半径增大幂函数指数、一次函数斜率、系统功率、空气温升、蓄热层温升等都表现出增大趋势；最佳压降比、集热棚净效率、单位面积功率及热流密度都呈减小趋势；随涡轮压降增大，空气温升速率增大、“抽力”增大速率逐渐增大，且涡轮压降增大与“抽力”增大的共同作用导致流量随涡轮压降增大而线性减小。 ③渐扩烟囱的渐扩角度及渐扩段长度对系统性能具有重要影响：渐扩段长度恒定情况下，系统功率随渐扩角度呈现出先增大后减小的趋势；系统功率随渐扩段长度同样呈现出先增大后减小的趋势，并且同一系统的最佳渐扩长度也受渐扩角度的影响，如集热棚半径160m情况下、渐扩段长度为12m时最佳渐扩角度为13.5°，而渐扩段长度变为44m时对应的最佳渐扩角度为9°。渐扩段长度、渐扩角度对系统性能影响的根本原因在于改变了气流在烟囱内的减速膨胀能力，这也是两参数之间相互影响的原因。 【关键词】：太阳能热风系统 集热棚半径 涡轮压降 渐扩角度 渐扩长度
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 主要符号表8-9
• 1 绪论9-23
• 1.1 研究背景9-10
• 1.1.1 世界能源与环境问题9
• 1.1.2 中国能源利用现状9-10
• 1.2 我国利用太阳能热风发电的可行性10-13
• 1.2.1 太阳能热风发电可行性10-11
• 1.2.2 我国太阳能资源分布情况及利用现状11-13
• 1.3 太阳能热风发电系统研究现状13-20
• 1.3.1 理论研究13-17
• 1.3.2 实验研究进展17-18
• 1.3.3 数值模拟研究进展18-20
• 1.4 本文主要工作20-23
• 2 太阳能热风发电系统理论分析23-37
• 2.1 概述23
• 2.2 太阳能热风发电系统温室效应23-25
• 2.2.1 集热棚23-24
• 2.2.2 蓄热介质24-25
• 2.3 太阳能热风发电系统烟囱效应25-26
• 2.4 太阳能热风发电系统涡轮机26
• 2.5 系统热力循环26-27
• 2.6 系统能量分配关系27-28
• 2.7 太阳能热风发电系统物理数学模型28-31
• 2.8 数值计算理论31-34
• 2.9 可靠性验证34-36
• 2.10 本章小结36-37
• 3 集热棚半径及涡轮压降对系统性能的影响37-53
• 3.1 概述37
• 3.2 计算结果与分析37-51
• 3.2.1 单层与双层集热棚对系统性能的影响37-39
• 3.2.2 双层集热棚的半径及涡轮压降对系统功率的影响39-41
• 3.2.3 双层集热棚的半径及涡轮压降对空气温升的影响41-51
• 3.3 本章小结51-53
• 4 基于幂次理论的太阳能热风系统性能分析53-63
• 4.1 概述53
• 4.2 幂次理论简介53-54
• 4.3 研究结果54-61
• 4.4 本章小结61-63
• 5 烟囱形状对系统性能影响的数值研究63-71
• 5.1 概述63-64
• 5.2 计算结果与分析64-70
• 5.2.1 渐扩出口烟囱与直筒出口烟囱的热风系统性能对比64-67
• 5.2.2 渐扩角度影响分析67-69
• 5.2.3 渐扩长度分析69-70
• 5.3 本章小结70-71
• 6 总结和展望71-73
• 6.1 总结71-72
• 6.2 展望72-73
• 致谢73-75
• 参考文献75-81
• 附录81
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文81

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