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 t11w q η=<T 1 失去Q 1– Q 2T 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 12233441w 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。

从图5．2～5．4可以看出，集热体的火用效率随着聚光比的提高而不断降低，但变化幅度较小。

热电装置』朋效率的变化趋势同P-N结的相同，都是先增大、后减小，且变化幅度只有3，02％。

可见，随着聚光比的增加，虽然装置的热电效率有较大增涨，但其姗效率却基本稳定。

也就是说，热电装置对可用能量的利率并没有发生较大的变化。

本章小结、：本章建立了太阳能热电装置的火用效率模型，并对其影响因素进行了分析，结论如下：(1)随着输入能量的提高．热电装置姗效率的变化幅度相对热效率较小。

这表明，虽然热电装置的热效率在不断提高，但实际上该装置对有用能量的利用率并没有发生较大的变化。

(2)集热体材料发射率对太阳能熟电装置的^Ⅲ效率有较大影响，再次证明了选择低发射率材料作为集热体材料的重要性。

(3)虽然集热体热导率对装置的热电效率影响很小，但它对装置的姗效率有一定影响，其火用效率随集热体热导率的降低而下降。

(4)集热体上表面与周围空气的自然对流换热对太阳能热电装置的热效率和姗效率都有影响，不能忽略．计算实例：利用上述热力模型对一个lOO W的算例进行分析计算，其主要参数为：集热棚直径DM=3600m，覆盖层采用倾斜玻璃平板结构，进口高度厶=2m．出口高度为L3=66m，倾斜度约为0037：烟囱采用圆柱壳型结构，内径为Dd。

=115m，高为Az=950m．在集热棚出口向烟囱进口的过渡段内，流动面积逐渐收缩，有利于热气流膨胀做功．3．1轴功率图3给出了该电站的风力透平轴功率的预测曲线。

地面大气温度L=303．15K，认为地表5m 深处的温度恒定为t=293．15K；透平机组效m．-rl。

m=O．801，烟囱损失系数k=1．在系统几何尺寸确定的条件下，风力透平机组轴功率取决于太阳能吸收强度S和系统质量流量砌．根据方程(9)和(20)，当质量流量较小时，集热棚内的空气温升及通过透平膨胀的温降较大，但热气流对风力透平总体做功仍然较小．在极限情况下，当流量趋于0时，轴功率也趋于0：反之，当质量流量较大时，由于气流速度较大，集热棚内空气滞留时间短，空气温升低，使得集热棚内获得的热能主要用来提升烟囱内的热气流上升、克服流动损失及弥补动能损失，而用来驱动风力透平旋转的有用功较小．当质量流量增加到一定程度后，风力透平机组的温降瓦，一瓦，。

等于或小于0，热气流不能再对风力透平机组做功。

因此，对于每一个给定的太阳能吸收强度，必然存在一个流量，使得对应的风力透平轴功率最大。

图3同时给出了风力透平机组最大功率曲线(Maximumpower line)。

对于给定的太阳能吸收强度，存在两个设计流量满足轴功率要求，一个是位于最大功率曲线左侧的小流量工况，另外一个是位于最大功率曲线右侧的大流量工况。

小流量运行工况的特点是集热棚内的热气流温度较高，向地表层传递的热量较大，有利于实现地表层储熟。

这样在白天太阳照射充分如正午时分，储备到地表层的热能，可以在太阳照射减弱的夜间释放出来，有利于改善太阳能热气流发电的稳定性和连续性。

因此风力透平发电机组的理想运行工况位于最大功率曲线的左侧，相应的设计工况称为理想设计工况，而位于右侧的大流量设计工况称为非理想设计工况。

表l S=800W／m2时风力透平运行参数特大规模发电技术。

3集热棚内温升图4给出了太阳能吸收强度为S=800矽／m2时集热棚内平均温度随径向的分布规律。

温度提升主要发生在集热棚的前半段，而在靠近集热棚中心的区域内温度变化平缓。

这主要由于吸热面积大小引起的。

另一方面也说明，可以在中心区域采用多覆盖层技术，得到进一步提升热气流温度的效果。

‘结论本文建立了太阳能热气流发电系统循环的热力过程，包含了各种损失对效率与透平轴功率的影响．基于一维假设建立了传热模型，并利用龙格一库塔法进行了数值求解，给出了轴功率的性能预测曲线及温升变化过程。

为风力透平机组设计提出了气动参数，为集热棚强化换热提出了改进措施。

参考文献l，潘垣，辜承林．周理兵，等太阳能热气流发电及其对我国能源与环境的深远影响．世界科技研究与发展，2003．25(4)：7一12．2．HaafW，Friedrieh K．Mayr G，et at Solar chimney，part l：principle and constructionof thepilot plantin Ms．qza,nares InternationalJournalof SolarEnergy．1983，2(1)：3-203．DuffieJ．Beckman R．Solar engineering of thermal process，Wiley—Interscience．州，1980 4．代彦军，黄海宾，王如竹，太阳能热风发电技术应用于宁夏地区的研究．太阳能学报，2003．24(3)：408—412．10。