太阳能烟囱发电装置的集热棚集热效率分析
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太阳能烟囱发电装置的集热棚集热效
朱海林 赵 敬 德 ２ １２ ） ０ ６ ０ （ 东华 大 学环 境 科 学与 工程 学 院 上 海
摘要
关 键词
在 太 阳能 烟 囱发 电 系统 中 ， 集 热 棚 是 影 响 其 发 电 效 率 的 关 键 部 件 之 一 。 为 了提 高 太 阳 能 烟 囱 发 电 系统 的 发 电 效
太 阳 能 烟 囱 集 热棚 集 热 效 率
率 ， 系统 中集 热 棚 集 热 性 能 的各 种 影 响 因素 进 行 了分 析 ， 拟 计 算 了集 热 棚 的 集 热 效 率 。 对 模
中图分类号 ．Ｍ６ ５ Ｔ １
文献标 识码 ： Ａ
文章编号 ：６ ２ ９ ６ （０ １０ — ０ ６ ０ １ ７ － ０ ４２ １ ） １ ０ ５ － ３
开发利用时几 乎不产生任何 污染 ． 实现节能减 排的最佳选 是
择 之 一 阳能 烟 囱 发 电是 实 现 大 规 模 开 发 和 利 用 太 阳 能 的 太
一
为支撑 驱动涡 轮发 电机所需 的热空气 是通过集热 棚的温室
效 应 产 生 的 集 热 棚 由 半 透 明 的 棚 顶 和 支 撑 结 构 组 成 ． 透 半 明 棚 顶 材 料 通 常 为 玻 璃 、 碳 酸 酯 或 塑 料 膜 ． 撑 结 构 采 用 聚 支
虑 在 吸 热 效 率 较 低 的 区域 采 取 改 进 措 施 ． 过 提 高 集 热 效 率 通 而提 高 整 个 系 统 的 效 率
随 着 环 境 问 题 的 不 断 恶 化 和 能 源 危 机 的进 一 步 加 剧 ． 我
国对 节 能减 排 工 作 更 加 重 视 ． 发 可 再 生 能 源 的 任 务 也 越 来 开
围 １ 太 阳 能烟 囱发 电 系统 原 理 图
空 气 进 入 棚 内 ． 成 形 持 续 不 断 的空 气循 环 流 动
关 系 曲 线 （ 坐 标 垂 直 纵
１ ３
于地面并 经过集热棚 ：
太 阳 能 烟 囱 发 电 系 统 的 总 效 率 由集 热 棚 的 热 转 换 效 率 １ ， 囱 的 效 率 １ ｌ风 机 叶 片 、 动 机 构 及 电 机 的 效 率 １ 烟 １， ｄ 传
在 本 文 中 ， 照 文 献 ｆ ］ 的 结 构 尺 寸 ： 囱 高 度 ＝ 参 ２中 烟 １０ 烟 囱 直 径 ｄ ８ 集 热 棚 直 径 Ｄ￣ ２ ０ 棚 离 地 面 高 度 ０ ｍ． ＝ ｍ． ｃ＝ ０ ｍ，
ｈ＝ ｍ， 热 棚 采 光 面 积 Ａ ３ ３０ ． ： ０ Ｗ， ｐ２ 集 ＝ １５ ｍ２Ｇ ８０ ｍ 。
混 凝 土 或 钢 支 架 与 烟 囱基 础 相 连 接 的棚 顶 与 地 面 间距 随 烟 囱 高 度 增 加 而 增 加 ， 常 为 ２ ８ 距 地 面越 高 ． 阻 越 小 。 通 ～ ｍ， 风
种 新 的途 径 ． 是 解 决 我 国能 源 危 机 的 有 效 途 径 之 一 。 也 １７ ９ ８年 ．德 国 的 Ｓ ｈａ ｈ教 授 提 出 了 太 阳 能 烟 囱 发 电 ｃｌｉ ｃ
验 电 站 的 建 设 太 阳能 烟 囱发 电 技 术 成 功 地 将 ３种 成 熟 技 术 结 合 为 一 体 ： 室 技 术 、 囱技 术 和 风 力 透 平 机 技 术 。 工 作 原 理 如 图 温 烟 其 １ 示 ： 阳光 照 射 在 四 周 敞 开 的集 热 棚 上 ， 热 棚 下 蓄 热 所 太 加
ｍ崆 气（ 、 ｎ ０
假设 条件 如下 ： 流动过 程为稳 态流 动 ； 棚 内流体为 ① ② 常 物性 ； ③棚 内无 内热 源 ； 集热棚 内为轴对称 流动 ； 集热 ④ ⑤ 棚放 置在 一宽 阔的平 原上 ： 忽略棚 的厚 度 ， 下表 面温度 ⑥ 上
相 同。
体 与 棚 内 空 气 ： 内 棚
的新 概 念 。１８ ９ ２年 ． 国 政 府 和 西 班 牙 一 个 发 电 企 业 在 西 班 德
牙 Ｍａｚｎｒｓ 成 了 世 界 上 第 １ 太 阳 能 烟 囱发 电站 随 ｎａａｅ 建 座
后 ． 多 国家 都 展 开 了太 阳 能 烟 囱发 电技 术 的 理 论 研 究 和 实 很
７刀７７ ’７ ７ 丁７ ７７ ７ ／７ ７ ７ ７ ７ 刀７７丁 ７
地
囱 底 部 的 空 气 涡 轮
发 电 机 发 电 ： 此 同 与 时 ． 热 棚 周 围 的 冷 集
根 据 文 献 『 ］ 给 定 的 模 型 尺 寸 和 速 度 与 无 因 次 半 径 的 ２中
关 系 曲线 图 （ ＝ Ｒ ０处 指 烟 囱 和集 热 棚 的 中 心 ． ＝ ０ Ｒ １０指 棚 的 外边缘 ． 即空 气 进 １处 ） 可 以得 到 图 ２所 示 的 速 度 和 半 径 的 ： ３ ，
空气 温度 升高 ． 度 密 下 降 ． 太 阳 能 烟 囱 在 的 抽 吸 作 用 下 形 成
一
边界条件按文献 ［］４ 选取 ： ３［］ 集热棚人 口：－ － ，＝ ８Ｃ； ｖ ｗ＇ ｔ ３ ￣ － ｏ ０
集 热 棚 透 明层 ：－ ３ ｕ ｖｗ Ｏ 地 面 ：＝ ４Ｃ ｕ ｖ ｗ Ｏ ｔ４ ￣ －－ － ； Ｃ，－ ｔ ８ ￣，＝ － － 。 ｓ －
另 外 ， 外 环 境 温 度 ｆ＝ ０ ， 气 比热 容 ＝ ０ ５／ｇ 棚 ２ ℃ 空 １０ Ｊ ・ ｋ
股 强 大 的 上 升 热
气 流 ． 动 安 装 在 烟 驱
Ｋ， 力加 速度 ９８ ｍ ｓ， 热系数 Ａ ００ ７ ／ Ｋ， 重 ．１ ／２导 ： ．２ ｗｍ． 运动 粘
度 ＝１６ ０ｍ／ ｐ ．２ ｇｍ ．ｘ１ Ｓ ｓ，＝１１ ｋ ／ 。
越 迫 切 。 阳 能 因 为 具 有 无 限 性 、 遍 性 、 洁 性 和 经 内的流 动 空气 温 度和效 率分 布情 况
集 热 棚 用 玻 璃 或 塑 料 等 透 明 材 料 建 成 ． 用 金 属 框 架 作 并
备 受 人 们 的 青 睐 。 阳 能 同 风 能 、 汐 能 等 洁净 能 源 一 样 ， 太 潮 其
朱海林 赵 敬 德 ２ １２ ） ０ ６ ０ （ 东华 大 学环 境 科 学与 工程 学 院 上 海
摘要
关 键词
在 太 阳能 烟 囱发 电 系统 中 ， 集 热 棚 是 影 响 其 发 电 效 率 的 关 键 部 件 之 一 。 为 了提 高 太 阳 能 烟 囱 发 电 系统 的 发 电 效
太 阳 能 烟 囱 集 热棚 集 热 效 率
率 ， 系统 中集 热 棚 集 热 性 能 的各 种 影 响 因素 进 行 了分 析 ， 拟 计 算 了集 热 棚 的 集 热 效 率 。 对 模
中图分类号 ．Ｍ６ ５ Ｔ １
文献标 识码 ： Ａ
文章编号 ：６ ２ ９ ６ （０ １０ — ０ ６ ０ １ ７ － ０ ４２ １ ） １ ０ ５ － ３
开发利用时几 乎不产生任何 污染 ． 实现节能减 排的最佳选 是
择 之 一 阳能 烟 囱 发 电是 实 现 大 规 模 开 发 和 利 用 太 阳 能 的 太
一
为支撑 驱动涡 轮发 电机所需 的热空气 是通过集热 棚的温室
效 应 产 生 的 集 热 棚 由 半 透 明 的 棚 顶 和 支 撑 结 构 组 成 ． 透 半 明 棚 顶 材 料 通 常 为 玻 璃 、 碳 酸 酯 或 塑 料 膜 ． 撑 结 构 采 用 聚 支
虑 在 吸 热 效 率 较 低 的 区域 采 取 改 进 措 施 ． 过 提 高 集 热 效 率 通 而提 高 整 个 系 统 的 效 率
随 着 环 境 问 题 的 不 断 恶 化 和 能 源 危 机 的进 一 步 加 剧 ． 我
国对 节 能减 排 工 作 更 加 重 视 ． 发 可 再 生 能 源 的 任 务 也 越 来 开
围 １ 太 阳 能烟 囱发 电 系统 原 理 图
空 气 进 入 棚 内 ． 成 形 持 续 不 断 的空 气循 环 流 动
关 系 曲 线 （ 坐 标 垂 直 纵
１ ３
于地面并 经过集热棚 ：
太 阳 能 烟 囱 发 电 系 统 的 总 效 率 由集 热 棚 的 热 转 换 效 率 １ ， 囱 的 效 率 １ ｌ风 机 叶 片 、 动 机 构 及 电 机 的 效 率 １ 烟 １， ｄ 传
在 本 文 中 ， 照 文 献 ｆ ］ 的 结 构 尺 寸 ： 囱 高 度 ＝ 参 ２中 烟 １０ 烟 囱 直 径 ｄ ８ 集 热 棚 直 径 Ｄ￣ ２ ０ 棚 离 地 面 高 度 ０ ｍ． ＝ ｍ． ｃ＝ ０ ｍ，
ｈ＝ ｍ， 热 棚 采 光 面 积 Ａ ３ ３０ ． ： ０ Ｗ， ｐ２ 集 ＝ １５ ｍ２Ｇ ８０ ｍ 。
混 凝 土 或 钢 支 架 与 烟 囱基 础 相 连 接 的棚 顶 与 地 面 间距 随 烟 囱 高 度 增 加 而 增 加 ， 常 为 ２ ８ 距 地 面越 高 ． 阻 越 小 。 通 ～ ｍ， 风
种 新 的途 径 ． 是 解 决 我 国能 源 危 机 的 有 效 途 径 之 一 。 也 １７ ９ ８年 ．德 国 的 Ｓ ｈａ ｈ教 授 提 出 了 太 阳 能 烟 囱 发 电 ｃｌｉ ｃ
验 电 站 的 建 设 太 阳能 烟 囱发 电 技 术 成 功 地 将 ３种 成 熟 技 术 结 合 为 一 体 ： 室 技 术 、 囱技 术 和 风 力 透 平 机 技 术 。 工 作 原 理 如 图 温 烟 其 １ 示 ： 阳光 照 射 在 四 周 敞 开 的集 热 棚 上 ， 热 棚 下 蓄 热 所 太 加
ｍ崆 气（ 、 ｎ ０
假设 条件 如下 ： 流动过 程为稳 态流 动 ； 棚 内流体为 ① ② 常 物性 ； ③棚 内无 内热 源 ； 集热棚 内为轴对称 流动 ； 集热 ④ ⑤ 棚放 置在 一宽 阔的平 原上 ： 忽略棚 的厚 度 ， 下表 面温度 ⑥ 上
相 同。
体 与 棚 内 空 气 ： 内 棚
的新 概 念 。１８ ９ ２年 ． 国 政 府 和 西 班 牙 一 个 发 电 企 业 在 西 班 德
牙 Ｍａｚｎｒｓ 成 了 世 界 上 第 １ 太 阳 能 烟 囱发 电站 随 ｎａａｅ 建 座
后 ． 多 国家 都 展 开 了太 阳 能 烟 囱发 电技 术 的 理 论 研 究 和 实 很
７刀７７ ’７ ７ 丁７ ７７ ７ ／７ ７ ７ ７ ７ 刀７７丁 ７
地
囱 底 部 的 空 气 涡 轮
发 电 机 发 电 ： 此 同 与 时 ． 热 棚 周 围 的 冷 集
根 据 文 献 『 ］ 给 定 的 模 型 尺 寸 和 速 度 与 无 因 次 半 径 的 ２中
关 系 曲线 图 （ ＝ Ｒ ０处 指 烟 囱 和集 热 棚 的 中 心 ． ＝ ０ Ｒ １０指 棚 的 外边缘 ． 即空 气 进 １处 ） 可 以得 到 图 ２所 示 的 速 度 和 半 径 的 ： ３ ，
空气 温度 升高 ． 度 密 下 降 ． 太 阳 能 烟 囱 在 的 抽 吸 作 用 下 形 成
一
边界条件按文献 ［］４ 选取 ： ３［］ 集热棚人 口：－ － ，＝ ８Ｃ； ｖ ｗ＇ ｔ ３ ￣ － ｏ ０
集 热 棚 透 明层 ：－ ３ ｕ ｖｗ Ｏ 地 面 ：＝ ４Ｃ ｕ ｖ ｗ Ｏ ｔ４ ￣ －－ － ； Ｃ，－ ｔ ８ ￣，＝ － － 。 ｓ －
另 外 ， 外 环 境 温 度 ｆ＝ ０ ， 气 比热 容 ＝ ０ ５／ｇ 棚 ２ ℃ 空 １０ Ｊ ・ ｋ
股 强 大 的 上 升 热
气 流 ． 动 安 装 在 烟 驱
Ｋ， 力加 速度 ９８ ｍ ｓ， 热系数 Ａ ００ ７ ／ Ｋ， 重 ．１ ／２导 ： ．２ ｗｍ． 运动 粘
度 ＝１６ ０ｍ／ ｐ ．２ ｇｍ ．ｘ１ Ｓ ｓ，＝１１ ｋ ／ 。
越 迫 切 。 阳 能 因 为 具 有 无 限 性 、 遍 性 、 洁 性 和 经 内的流 动 空气 温 度和效 率分 布情 况
集 热 棚 用 玻 璃 或 塑 料 等 透 明 材 料 建 成 ． 用 金 属 框 架 作 并
备 受 人 们 的 青 睐 。 阳 能 同 风 能 、 汐 能 等 洁净 能 源 一 样 ， 太 潮 其