工程热力学论文2

工

程

热

力

学

论

文

姓名：

学号：1011011014 序号：05

太阳能热发电热力分析

摘要：从热力学角度出发，研究了太阳能热气流在集热棚、烟囱及风力透平机组内的能

量转换过程，建立了无能量损失的理想热力过程，以及包含各种能量损失的实际热力过程模型．鉴于太阳能热气流发电站的大尺寸特征，采用了一维假设建立了集热棚内热气流的传热模型，采用龙格一库塔方法对温度方程进行数值求解．最后对一个100研级的太阳能热气流发电站进行了试算．其主要参数为集热棚直径3600m，烟囱高950m，设计功率1001,研．给出了该电站的风力透平轴功率随质量流量和太阳能吸收强度的变化规律，集热棚内的温升曲线，以及风力透平机的设计参数．

关键词：太阳能热发电；集热棚；热力分析；轴功率

现状综诉：太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程中所产生的能量。据测算,太

阳每秒照于地球上的能量相当于500万t煤。可以说,太阳能就是人类“用之不竭”的可再生能源。根据有关预测，21世纪的全球能源结构将发生重大变化，太阳能和其它可再生能源将替代石油和煤炭，逐渐成为世界能源的主角。到2050年，太阳能、风能和生物质能在各种一次能源构成中所占的比例将高达50％，远高于石油（0％或甚微）、天然气（13％）、煤（20％）、核能（10％），水电（5％）和其它（2％）。

太阳能热发电技术是具有较强竞争力的可再生能源发电技术。太阳能集热器把收集到的太阳辐射能发送至接收器产生热空气或热蒸汽，用传统的电力循环来产生电能，发电运行成本低，并可以与化石燃料形成混合发电系统。太阳能热发电无噪音,无污染,无需燃料,不受地域限制,规模大小灵活,故障率低,建站周期短，这些优势都是用其它能源发电所无法比拟的，对中国等太阳能资源丰富的国家来说是一个很大的机遇。

太阳能热发电技术综合性很强，涉及太阳能利用、储能、新型材料技术、高效汽轮机技术和自动控制系统等问题，不少发达国家已投人大量人力和物力。经过近40年的研究，太阳能热力发电装置的单机容量已从千瓦级发展到了兆瓦级，目前世界上已有几十座MW级的太阳能热电站投入运行。许多科学家纷纷预测，至2l世纪初中期，太阳能热发电的电价极有可能降到与化石能源电价相同的水平。我国学者潘垣等(2003)近年来致力于太阳能热气流技术的研究和推广，对我国太阳能资源分布状况、技术及经济性分析进行了广泛的调研，认为在本世纪，大规模太阳能热气流发电技术与核聚变发电技术，．是使我国从根本上摆脱能源资源“瓶颈”约束的两个重要途径。代彦军(2003)对宁夏地区发展太阳能热气流发电技术进行了理论探索。

原理简述：

本文利用理论及数值方法，对太阳能热气流发电技术的理想及实际热力过程进行分析，考虑了风力透平中的能量损失和烟囱流动损失对系统性能的影响。由于太阳能热气流发电系统具有超大几何尺寸，采用一维换热假设对系统内的传热过程进行建模，所建立的方程

通过龙格一库塔法求解。

2．热力循环过程

2．1理想热力循环过程圈l太阳能热气流发电示意图假设所有的流动元件是理想的．各个热力过程都是无能量损失的准静态过程：工作介质为干燥的空气。图2(a)给出了太阳能热发电的理想热力循环过程。空气在太阳能辐射加热过程2—3中获得热能，用来驱动风力透平机组做功(透平膨胀过程3—3te)、克服热气流上升过程中的重力势能(烟囱膨胀过程3re--4)及不可壁免地向冷源高空大气排放热量(余温排放过程4-1)．最后周围大气在重力作用下向地面聚集(重力压缩过程1-2)，进入集热棚，完成热力循环过程．因此太阳能热气流发电的热力循环过程本质上是一个热机循环过程定义:

其中§o为单位时间集热棚内空气所吸收的净热量t‰为风力透；

其中廊为系统的质量流量，c。为定压比热t g为重力加速度，位为烟囱高度。将

—3)代入(1)，并利用理想等熵性质L／瓦=正／疋．得到热效率的简化形式：

利用关系(1)，(2)和(4)，得到风力透平的轴功率及轮缘功的简化形式为：可以看出，在理想情况下，太阳能热气流电站的热效率与烟囱高度成正比，地面温成反比：轮缘功与高度成正比，温升成正比，而温升与集热棚的直径有关。因此要大模高效地利用太阳能热气流资源，需要使用大尺寸系统，采用高落差烟囱和大直径集。

热力学分析：

就最原始的动力的循环可知

所以，如果我们想要提高热能的利用率，我们就要增加净功量——即增加热能的吸收，即降低q1。

有最原始的热力学分析我们可以简单地得出，如果要提高热机效率，原则上必须增加热量的输出，降低热量的流失，（即火用的升高，火无的降低。）所以我们在进行太阳能利用时可以寻找新的材料，提高热能的吸收。而另一个途径就是降低热量的流失，就此我们不妨看一下卡诺循环，以此来了解一下理想气体提高热效率的途径有哪些。

net t

1

1w q η=

T 2 无得失

热机净输出功W net = Q 1– Q 2

由卡诺循环我们可以很明显的看出提高热机效率的方法：提高吸热环境的温度，降低放热环境的温度。但是在实际应用中还用很多因素影响热机效率：

net 12233441

w w w w w ----=+++1g 1212111R T p w p κκκ--⎡⎤⎛⎫⎢⎥=- ⎪⎢⎥-⎝⎭⎢⎥⎣⎦

讨论：

第二类永动机不可能实现

但是在实际应用中提高吸热环境的温度和降低放热环境的温度几乎无法实现，或者在实现过程中热损失与热效率的提高已不成正比，所以在太阳能热发电领域更多的在研发不同的发热发电系统(火用)效率分析

在前面效率分析的基础上，建立了热电装置的火用效率模型。分析中，考虑

到散热板的热导率很大，认为在其上不会形成温差，故其上、下表面温度相等。

设集热体上表面温度为五，则输入集热器的热量火用E。。为

集热器输出的姗即为输入热电P-N结的姗E：

因此，集热体的烟效率‰为

热电转换过程的收益火J8E即为发电装置向负载电阻输出的功率：

则P-N结热电转换的火用效率

：首先对太阳能热电装置的姗

效率随聚光比的变化进行了

分析。表5．1为计算结果．图5．2-5．4分别为集热体、P-N结和热电装置的火用效

率随骧光比变化图。