辅助加热式太阳能热气流发电系统的模拟研究

摘要

由于社会的不断进步以及经济的跨越式发展,因此对能源的需求趋势也呈现出跨越式的增长,但是地球上储存的石化资源却是有限的,同时还伴随着环境问题的日益严重,这使得社会经济对于新能源和可再生能源的需求越来越高。太阳能作为一种清洁能源已经以各种各样的形式被广泛利用,而太阳能热气流发电系统是实现大规模开发和利用太阳能的一种新的途径,是解决目前世界能源危机和环境危机的有效途径之一。假设太阳能热气流发电技术成熟后,将为我国西部的开发提供用之不竭的电力能源,进而可以推动我国太阳能产业的发展。
　　太阳能热气流发电系统主要由导流塔囱、集热棚、蓄热层和涡轮发电机组等四个重要部件组成。运行过程是太阳辐射能被集热棚内的蓄热体吸收,与此同时蓄热体上表面与集热棚内的空气进行热交换,使集热棚内的空气温度升高,并汇聚到塔囱底部,在烟囱效应的协助下,形成强烈的上升气流推动塔囱底部的涡轮发电机组转动,将动能转化为机械能。
　　本文主要对内蒙古乌海金沙沙漠太阳能热气流发电站进一步优化,在其塔囱内部增加局部加热部件,使其在不降低发电效率的前提下,降低塔囱的高度,达到节约初始投资成本的目的。并且应用结构网格和非结构网格组合的三维模型构建此系统的物理模型,通过 FLUENT数值模拟软件针对辅助加热气体的温度、辅助加热气体的进气量和辅助加热的位置三个不同的变量进行模拟分析。研究优化了辅助加热式太阳能热气流发电系统的辅助加热的位置,并且通过组合焓值的分析,为辅助加热气体的温度和进气量的确定提供了参考,得到了一些有意义的结论:①.辅助加热气体焓值的变化,对塔囱内的速度场有一定的影响。当辅助加热位置为45m时,组合焓值变化为50×103～90×103 kJ/s时,塔囱底部平均速度比无辅助加热时增大了52％~80％,并且辅助加热的位置每降低10m,塔囱底部相对速度增加的百分比就会大约提高7％～15％,所以提高了塔囱的抽吸能力。②.当辅助加热的位置不变时,通入塔囱内部的气体焓值有一个最优区间,可以使塔囱底部动能的增加达到一个最优值。当辅助加热的位置降低时,最优的焓值区间和辅助加热气体的焓值与塔囱底部的动能的比值都发生了变化。因此,辅助加热的位置每降低10m时,最优的焓值区间减小10×103 kJ/s左右,辅助加热气体的焓值与塔囱底部的动能的比值也减小200～250左右。③.当通入塔囱内部的气体焓值一定时,辅助加热的位置有一个适当的高度,可以使塔囱底部区域的动能达到最大的前提下,不破坏涡轮机组工作区域的压力场。

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1. 绪论

1.1 国内、外的能源问题及可再生能源的开发利用

1.2太阳能利用及太阳能发电技术

1.3 太阳能热气流发电系统

1.4课题的目的、内容及意义

2. 太阳能热气流发电系统的理论分析

2.1 不同区域内的热力学过程

2.2 烟囱效应

2.3 基本控制方程

3. 太阳能热气流发电系统数值模拟的理论

3.1 CFD数值模拟

3.2 湍流模型的选取

3.3 自然对流的数值模拟

3.4 网格形式的选取

4. 辅助加热式太阳能热气流发电系统的数值模拟

4.1 物理模型

4.2 数学模型

4.3 模拟结果

5. 辅助加热部件的位置变化引起系统变化的数值模拟

5.1 模型变化

5.2 模拟结果

结论

参考文献

在学研究成果

致谢