立式集热板太阳能热气流电站理论分析与数值模拟研究

【摘要】： 近年来,不可再生能源的逐渐耗尽与环境污染给世界人们带来的困扰,迫使人们寻找新的能源来替代传统的化石能源。人类要解决能源危机和环境问题,实现经济和社会的可持续发展,只能大规模的开发利用可再生的清洁能源。在所有可再生清洁能源中,太阳能是被各国专家都看好的未来替代能源。 太阳能的主要利用方式是光电利用和光热利用,太阳能烟囱发电是一种基于热动力循环的光—热—电利用技术,是一种很有发展潜力的间接发电技术。太阳能烟囱发电系统主要是应用于太阳能资源丰富的地广人稀的荒漠化地带,而对同样具有丰富太阳能资源的城市却不适合。本课题组在太阳能烟囱基础上发明了一种应用于城市的太阳能烟囱发电系统——立式集热板太阳能发电系统。 以流道内空气流动的机理出发,建立了理想热力循环过程和实际热力循环过程,分析出立式集热板太阳能热气流发电系统的热力循环过程本质上是热机循环过程。进行理论分析时综合考虑热压和风压两种因素共同影响,推导出系统通风量、系统最大功率和系统最大转换效率的计算公式,通过用MATLAB编程方法,分析了太阳辐射量、集热板高度、集热板宽度等因素对系统通风量、系统最大功率和系统最大转换效率的影响。 在理论分析的基础上,以数值模拟为主要研究方法,对数值模拟结果进行分析讨论。分析的主要结论有:通风量、系统最大功率随着太阳辐射量的增加而增加,太阳辐射量对系统最大转换效率影响很小;集热板高度是影响系统性能的关键,通风量和系统最大功率都随着它的增大而增加,同时它也是影响系统最大能量转换效率的最为主要的因素;随着集热板宽度的增加,系统最大能量转换效率几乎是不变的,系统通风量和系统最大功率是增大的,但是增大的幅度逐渐变小,这是由于增加集热板宽度对换热的主要影响表现在改变了过渡区特别是正在发展区的换热量,到宽度增加到一定值时,流道内的有限空间换热达到充分发展区后,再增加集热板宽度对换热影响不大;集热板高度与宽度之间存在一个最佳比值15～20,使得在此比值范围内,系统的通风量最大;空气层厚度对通风量的影响是先增大后减小的,同时考虑到立式集热板太阳能热气流电站是依托城市高楼的南墙而建立,为了不影响城市建筑形象,空气层厚度不应过厚,本文认为空气层的合理厚度为0.2～0.5m。 通过理论分析与数值模拟结果对比,理论分析结果明显大于数值模拟结果,这主要是因为理论分析时没有考虑系统出口回流现象、空气在流道内流动时的能量损失、流道壁面的摩擦损失和空气在流道内湍流时的能量耗散。 通过正交试验方法,验证数值模拟结论,进一步表明,集热板高度是整个系统中最为关键的因素,它对系统通风量、系统最大功率、系统最大能量转换效率影响都比较明显。 【关键词】：立式集热板 太阳能热气流电站 数值模拟 系统功率 正交试验
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TK512
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 1 绪论12-22
• 1.1 能源发展趋势及可再生能源的开发利用12-13
• 1.1.1 能源发展趋势12-13
• 1.1.2 可再生能源的开发利用13
• 1.2 太阳能的利用13-17
• 1.2.1 我国太阳能资源分布14-15
• 1.2.2 太阳能的战略地位15-16
• 1.2.3 太阳能利用的优缺点16-17
• 1.2.4 太阳能的利用方式17
• 1.3 太阳能烟囱发电技术17-19
• 1.3.1 太阳能烟囱的国外研究现状17-18
• 1.3.2 太阳能烟囱的国内研究现状18
• 1.3.3 太阳能烟囱研究存在的问题18-19
• 1.4 立式集热板太阳能发电技术19-20
• 1.4.1 立式集热板太阳能发电技术原理19
• 1.4.2 立式集热板太阳能热气流发电技术特点19-20
• 1.5 课题的提出20-22
• 1.5.1 课题研究背景20
• 1.5.2 课题研究内容20
• 1.5.3 课题研究意义20-21
• 1.5.4 本课题的特色和创新之处21-22
• 2 立式集热板太阳能热气流电站的理论分析22-37
• 2.1 热力循环过程分析22-23
• 2.1.1 理想热力循环过程分析22
• 2.1.2 实际热力循环过程分析22-23
• 2.2 通风机理23-24
• 2.3 立式集热板太阳能热气流电站系统通风机理分析24-30
• 2.3.1 流道内空气密度与温度的关系24
• 2.3.2 流道出入口的压强差计算24-25
• 2.3.3 流道内空气质量守恒方程25
• 2.3.4 流道内空气流动速度方程25-26
• 2.3.5 热压及风压作用下的通风量26-28
• 2.3.6 玻璃盖板（吸热板）的热平衡方程28-30
• 2.4 计算结果分析30-36
• 2.4.1 太阳辐射量对通风量的影响30
• 2.4.2 流道性状对通风量的影响30-32
• 2.4.3 太阳辐射量对系统最大功率的影响32-33
• 2.4.4 流道性状对系统最大功率的影响33-34
• 2.4.5 流道性状对系统最大能量转换效率的影响34-36
• 2.5 本章小结36-37
• 3 立式集热板太阳能热气流电站系统数值模拟37-49
• 3.1 FLUENT 简介37-39
• 3.1.1 程序的结构37-38
• 3.1.2 FLUENT 程序求解的问题38
• 3.1.3 FLUENT 程序求解问题的步骤38-39
• 3.2 问题简化39
• 3.3 数学模型39-42
• 3.3.1 雷诺数39-40
• 3.3.2 质量守恒方程40-41
• 3.3.3 动量守恒方程41
• 3.3.4 能量守恒方程41
• 3.3.5 标准k- ε湍动能方程41-42
• 3.4 壁面处理方法42-44
• 3.4.1 壁面函数法的基本思想42-43
• 3.4.2 标准的壁面函数法43
• 3.4.3 非平衡壁面函数法43-44
• 3.4.4 增强的壁面函数法44
• 3.5 FLUENT 在本文中的应用44-48
• 3.5.1 GMABIT 简介45
• 3.5.2 初始与边界条件设置45-46
• 3.5.3 FLUENT 设置46-48
• 3.6 本章小结48-49
• 4 数值模拟结果分析49-71
• 4.1 立式集热板太阳能热气流电站尺寸49
• 4.2 结果验证49-50
• 4.3 模拟结果分析50-62
• 4.3.1 太阳辐射量对系统性能的影响50-52
• 4.3.2 集热板高度对系统性能的影响52-55
• 4.3.3 集热板宽度对系统性能的影响55-57
• 4.3.4 空气层厚度对系统性能的影响57-58
• 4.3.5 理论与数值模拟结果对比58-62
• 4.4 正交试验设计法验证62-68
• 4.4.1 正交试验设计法简介62-63
• 4.4.2 正交试验设计63
• 4.4.3 正交试验结果分析63-68
• 4.5 本章总结68-71
• 5 实验装置建造及其测量系统安装71-80
• 5.1 实验系统的材料71-72
• 5.2 温度测量系统72-76
• 5.2.1 温度测量仪表简介72-73
• 5.2.2 温度测量仪表的选择73-76
• 5.3 风速测量系统76-79
• 5.3.1 风速测量系统简介76
• 5.3.2 风速仪的选择76-77
• 5.3.3 风速仪的使用方法77-78
• 5.3.4 实验结果78-79
• 5.4 本章总结79-80
• 6 总结与展望80-83
• 6.1 创新点与主要结论80-81
• 6.1.1 创新点80
• 6.1.2 主要结论80-81
• 6.2 展望81-83
• 参考文献83-87
• 附录87-88
• 致谢88-89
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及奖励89-90

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