太阳能烟囱发电系统能效分析与优化
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第３ ５卷 第 ７期
２ ０ １ ３ａ ｎ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｖｏ １ ． ３ ５ Ｎｏ ． ７
Ｊ ｕ １ ． ２ ０ １ ３
太 阳能 烟 囱发 电 系统 能效 分 析 与 优化
肖寒 ， 贾利访 ， 毕克 ， 上官新 刚
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３— ０ ３— ０ ６
（ ２ ） 地板对底层土壤没有散热损失 ， 即认 为 热
量 被空气 全部 吸 收 。
（ ３ ） 烟 囱壁为黑 体 。
（ ４ ） 顶板透射率为 ９ ５ ％， 另外 ５ ％被反射掉。 （ ５ ） 没有 内热 源 ， 认 为太 阳辐 射为 唯一 热源 。
（ １ ） 为简 化模 型 ， 不 考 虑 太 阳能 烟 囱 内 部设 备
对 空气 流动 的影 响 。
率 和效 率 的影响 ， 并得 出系统 最佳 结构 尺寸 。
１ 系统 模 型
１ ． １ 模 型 结构参 数 采 用 西 班 牙 Ｍａ ｎ ｚ ａ ｎ ａ ｒ ｅ ｓ太 阳能 烟 囱 电 厂 的 结
摘
要： 利用计算流体力学软件 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ 对西班牙 Ｍａ ｎ ｚ ａ ｎ ａ ｒ ｅ ｓ 太 阳能烟 囱发 电系统进行数值模拟 ， 得 到太阳能烟囱发电系
统内部温度场 、 压力场和速度场 的分布情况 ， 计算 系统 的可用发 电功率 。利 用正交试验 ， 结合数值模 拟结果分 析太 阳能 烟 囱发电系统 中不同影响因素对系统性能的影响 ， 得 出系统最佳结构参数组合 。 关键词 ： 太 阳能烟 囱； 发电系统 ； 数值模拟 ； 正交试验 ； 系统性能
中图 分 类 号 ： Ｔ Ｋ ５ １ ４ 文献 标 志码 ： Ｂ 文章 编 号 ： １ ６ ７ ４—１ ９ ５ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ７— ０ ０ ７ ２— ０ ４
０ 引 言
世 界能 源需 求量 不断增 加进 一步加 剧 了可用 能 源 的短 缺 ， 而且 当前 可 用 能源 石 油 和 煤 炭 的利 用 对 环 境造 成破 坏且 其 本 身 不 可再 生 。因此 ， 急 需 开 发 可再 生能 源 和 清 洁 能 源 的利 用 技 术 来 解 决 当前 问 题 。太 阳能烟 囱发 电 技术 是 一 种 大 规模 发 电技 术 ， 其利用 太 阳能产 生 风 驱 动风 力 透 平来 生产 电能 ， 该
构数据进行建模 ， 其整体结构如 图 １ 所示 。集热器 人 口高度为 ｈ ， 烟 囱高度为 ｈ ， ， 集热器出 口高度 为 ｈ ， 透平 高度 为 ｈ ， 集 热 器直 径 为 ｄ ， ， 烟 囱人 口直 径
为ｄ ， 烟 囱 出 口直径 为 ｄ 。 结构参 数 见表 １ 。
（ １ ． 华北电力大学 ， 河北 保定 ０ ７ １ ０ ０ ３ ； ２ ． 上海通华燃气轮机服务有 限公 司， 上海 ２ ０ ０ ０ ０ ３ ； ３ ． 中国华电集团 ２ ０ １ １ ０ ８ ） 公司 上海分公 司 ， 上海 ２ ０ ０ ０ ０ ３ ； ４ ． 上海华 电闵行能源有 限公 司， 上海
（ ６ ） 流动 过程 为稳态 、 常物性 。
第 ７期
肖寒 ， 等： 太 阳能烟 囱发 电 系统 能效 分析 与优化 气， 地 面吸 收 的总太 阳能 为
Ｅ ｆ＝丁 ｄ ｆ 鲋
一
・ ７ ３・
（ ７ ） 空气 被认 为 是参 数 满 足 状 态 方程 的理 想 气
体， Ｐ ：ｐ Ｒ Ｔ， 比热为定值。 （ ８ ） 空气是完全透明的， 不影 响辐射 ， 透光率约 等于 １ ， 发射率约等于 ０ 。 （ ９ ） 整个 系统 中空气 是无 摩擦 的。
统原 型作 为研 究对 象 ， 建 立数 值模 型 ， 应用 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ 软 件 进行 了数值 模 拟计 算 ， 研 究 太 阳能 烟 囱发 电系 统 内温度场 、 压 力场 和速度 场 的分布情 况 ， 计算 系统 的 可 用发 电功 率 。利用 正交 试 验 ， 结 合 数值 模 拟 结 果
ｄ
一 一
／ ／
．
技术具有结构简单 、 清洁等优点 。
西班 牙 Ｍａ ｎ ｚ ａ ｎ ａ ｒ ｅ ｓ太 阳能 烟 囱发 电 厂 原 型 表明， 太 阳 能 烟 囱 是 一 种 实 用 的太 阳 能 发 电 技 术 。
：
集 热 器
＞ ＜
～
１ ９ ８ ３年 和 １ ９ ８ ４年 ， Ｈ ａ ａ ｆ ｗ，Ｆ ｒ ｉ ｅ ｄ ｒ ｉ ｃ ｈ Ｋ 等 卜 以西 班牙 的原 型 电厂为 依 托 进行 基 础 研 究 ， 讨 论 了该 原 型 的能量 平衡 、 设计 标准 和成 本 ， 并公 布 了初 步测试 结果 。 目前 ， 世 界各 国对 太 阳能 烟 囱发 电技 术 进行 了大量 的理论 和实 验研究 ， 但 有很 多问题 尚待 解决 ， 且 主要集 中在 以下 ２个方 面 ：
分 析太 阳能 烟 囱发 电系统 中不 同结 构 尺寸对 发 电功
符号
ｄ ｆ
ｄ １ ｄ ２
电厂结构参数
参数
２ ４ ０
１ ６９ ７
．
ｍ
参数
１ ９ ５ １
０ ． ３
符 号
ｈ ３ ｈ Ｔ
ｈ
１ ７ ． ８ ４
ｈ ，
４． ２ ４
１ ． ２ 模 型假设
＾
Ｊ Ｌ ＿ ＿ ＿ ＿ ＿ ＿ ＿ ＿ ＿ ＿ ＿ ＿ ＿ ｒ
．
Ｊ ｄ
＿ ＿
地ｌ
— ＿ —
ｄ ｆ
一
。
’
图 １ 太 阳 能烟 囱发 电 系统 结构 简 图 表１ 西 班 牙 Ｍａ ｎ ｚ ａ ｎ ａ ｒ ｅ ｓ 太 阳 能 烟 囱
（ １ ） 太 阳能烟囱发电系统的能量转换效率较低 ； （ ２ ） 太阳能烟囱发电系统的投资成本较高。 本 文 以西 班 牙 Ｍａ ｎ ｚ ａ ｎ ａ ｒ ｅ ｓ太 阳能 烟 囱发 电 系
２ ０ １ ３ａ ｎ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｖｏ １ ． ３ ５ Ｎｏ ． ７
Ｊ ｕ １ ． ２ ０ １ ３
太 阳能 烟 囱发 电 系统 能效 分 析 与 优化
肖寒 ， 贾利访 ， 毕克 ， 上官新 刚
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３— ０ ３— ０ ６
（ ２ ） 地板对底层土壤没有散热损失 ， 即认 为 热
量 被空气 全部 吸 收 。
（ ３ ） 烟 囱壁为黑 体 。
（ ４ ） 顶板透射率为 ９ ５ ％， 另外 ５ ％被反射掉。 （ ５ ） 没有 内热 源 ， 认 为太 阳辐 射为 唯一 热源 。
（ １ ） 为简 化模 型 ， 不 考 虑 太 阳能 烟 囱 内 部设 备
对 空气 流动 的影 响 。
率 和效 率 的影响 ， 并得 出系统 最佳 结构 尺寸 。
１ 系统 模 型
１ ． １ 模 型 结构参 数 采 用 西 班 牙 Ｍａ ｎ ｚ ａ ｎ ａ ｒ ｅ ｓ太 阳能 烟 囱 电 厂 的 结
摘
要： 利用计算流体力学软件 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ 对西班牙 Ｍａ ｎ ｚ ａ ｎ ａ ｒ ｅ ｓ 太 阳能烟 囱发 电系统进行数值模拟 ， 得 到太阳能烟囱发电系
统内部温度场 、 压力场和速度场 的分布情况 ， 计算 系统 的可用发 电功率 。利 用正交试验 ， 结合数值模 拟结果分 析太 阳能 烟 囱发电系统 中不同影响因素对系统性能的影响 ， 得 出系统最佳结构参数组合 。 关键词 ： 太 阳能烟 囱； 发电系统 ； 数值模拟 ； 正交试验 ； 系统性能
中图 分 类 号 ： Ｔ Ｋ ５ １ ４ 文献 标 志码 ： Ｂ 文章 编 号 ： １ ６ ７ ４—１ ９ ５ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ７— ０ ０ ７ ２— ０ ４
０ 引 言
世 界能 源需 求量 不断增 加进 一步加 剧 了可用 能 源 的短 缺 ， 而且 当前 可 用 能源 石 油 和 煤 炭 的利 用 对 环 境造 成破 坏且 其 本 身 不 可再 生 。因此 ， 急 需 开 发 可再 生能 源 和 清 洁 能 源 的利 用 技 术 来 解 决 当前 问 题 。太 阳能烟 囱发 电 技术 是 一 种 大 规模 发 电技 术 ， 其利用 太 阳能产 生 风 驱 动风 力 透 平来 生产 电能 ， 该
构数据进行建模 ， 其整体结构如 图 １ 所示 。集热器 人 口高度为 ｈ ， 烟 囱高度为 ｈ ， ， 集热器出 口高度 为 ｈ ， 透平 高度 为 ｈ ， 集 热 器直 径 为 ｄ ， ， 烟 囱人 口直 径
为ｄ ， 烟 囱 出 口直径 为 ｄ 。 结构参 数 见表 １ 。
（ １ ． 华北电力大学 ， 河北 保定 ０ ７ １ ０ ０ ３ ； ２ ． 上海通华燃气轮机服务有 限公 司， 上海 ２ ０ ０ ０ ０ ３ ； ３ ． 中国华电集团 ２ ０ １ １ ０ ８ ） 公司 上海分公 司 ， 上海 ２ ０ ０ ０ ０ ３ ； ４ ． 上海华 电闵行能源有 限公 司， 上海
（ ６ ） 流动 过程 为稳态 、 常物性 。
第 ７期
肖寒 ， 等： 太 阳能烟 囱发 电 系统 能效 分析 与优化 气， 地 面吸 收 的总太 阳能 为
Ｅ ｆ＝丁 ｄ ｆ 鲋
一
・ ７ ３・
（ ７ ） 空气 被认 为 是参 数 满 足 状 态 方程 的理 想 气
体， Ｐ ：ｐ Ｒ Ｔ， 比热为定值。 （ ８ ） 空气是完全透明的， 不影 响辐射 ， 透光率约 等于 １ ， 发射率约等于 ０ 。 （ ９ ） 整个 系统 中空气 是无 摩擦 的。
统原 型作 为研 究对 象 ， 建 立数 值模 型 ， 应用 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ 软 件 进行 了数值 模 拟计 算 ， 研 究 太 阳能 烟 囱发 电系 统 内温度场 、 压 力场 和速度 场 的分布情 况 ， 计算 系统 的 可 用发 电功 率 。利用 正交 试 验 ， 结 合 数值 模 拟 结 果
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一 一
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技术具有结构简单 、 清洁等优点 。
西班 牙 Ｍａ ｎ ｚ ａ ｎ ａ ｒ ｅ ｓ太 阳能 烟 囱发 电 厂 原 型 表明， 太 阳 能 烟 囱 是 一 种 实 用 的太 阳 能 发 电 技 术 。
：
集 热 器
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～
１ ９ ８ ３年 和 １ ９ ８ ４年 ， Ｈ ａ ａ ｆ ｗ，Ｆ ｒ ｉ ｅ ｄ ｒ ｉ ｃ ｈ Ｋ 等 卜 以西 班牙 的原 型 电厂为 依 托 进行 基 础 研 究 ， 讨 论 了该 原 型 的能量 平衡 、 设计 标准 和成 本 ， 并公 布 了初 步测试 结果 。 目前 ， 世 界各 国对 太 阳能 烟 囱发 电技 术 进行 了大量 的理论 和实 验研究 ， 但 有很 多问题 尚待 解决 ， 且 主要集 中在 以下 ２个方 面 ：
分 析太 阳能 烟 囱发 电系统 中不 同结 构 尺寸对 发 电功
符号
ｄ ｆ
ｄ １ ｄ ２
电厂结构参数
参数
２ ４ ０
１ ６９ ７
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参数
１ ９ ５ １
０ ． ３
符 号
ｈ ３ ｈ Ｔ
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１ ７ ． ８ ４
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４． ２ ４
１ ． ２ 模 型假设
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图 １ 太 阳 能烟 囱发 电 系统 结构 简 图 表１ 西 班 牙 Ｍａ ｎ ｚ ａ ｎ ａ ｒ ｅ ｓ 太 阳 能 烟 囱
（ １ ） 太 阳能烟囱发电系统的能量转换效率较低 ； （ ２ ） 太阳能烟囱发电系统的投资成本较高。 本 文 以西 班 牙 Ｍａ ｎ ｚ ａ ｎ ａ ｒ ｅ ｓ太 阳能 烟 囱发 电 系