太阳能热气流发电系统的荷载和抗风性能研究整理版

太阳能热气流发电系统的荷载和抗风性能研究.txt你站在那不要动！等我飞奔过去！雨停了天晴了女人你慢慢扫屋我为你去扫天下了你是我的听说现在结婚很便宜，民政局9块钱搞定，我请你吧你个笨蛋啊遇到这种事要站在我后面！跟我走总有一天你的名字会出现在我家的户口本上。 本文由VIP000000016贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 浙江大学建筑工程学院 硕士学位论文 太阳能热气流发电系统的荷载和抗风性能研究 姓名：吕晓东 申请学位级别：硕士 专业：结构工程 指导教师：袁行飞 20100301 摘 要 太阳能热气流发电系统是一项利用太阳能集热以及烟囱效应驱动风力涡轮 带动发电机发电的新系统。该系统中的烟囱高度往往达到上千米，属于超高耸结 构的范畴，同时由于该系统的特殊性，系统工作时烟囱结构将处于复杂的内外风 场和温度场环境中。本文以一发电功率为的太阳能热气流发电站为研究 对象，通过平均风风场数值模拟、温度场数值模拟研究了系统内外风场和温度场 的分布规律，并对其中的超高耸烟囱进行了风速时程分析和风振分析，论文得出 了一些结论，为该系统进一步的结构分析提供了理论依据。 论文首先总结了影响太阳能热气流发电系统发电功率和效率的各种因素，通 过数值模拟研究了系统几何尺寸和形体变化对系统性能的影响，确定了超高耸烟 囱的合理形体，得到了功率为兆瓦电站的合理尺寸。 论文接着运用计算流体力学方法对系统内外风场进行数值模拟，得到了系统 风场的分布规律，按照风工程理论计算得到烟囱的风载体型系数，并与我国荷载 规范以及相关风洞试验数据进行了对比研究，得到了体型系数沿烟囱高度方向和 圆周方向的分布规律。 为模拟系统温度场分布，论文对计算流体力学软俘中的辐射模型 做了系统研究，采用数值传热理论和计算流体力学方法，模拟了一定太阳辐射条 件下系统内的辐射对流传热过程，得到了沿集热棚高度和直径方向以及沿烟囱高 度和直径方向温度的分布规律。 论文最后采用谐波叠加法，同时引入快速傅里叶变换技术，以西缪谱为标准 谱对超高耸烟囱进行了风速时程模拟和分析；通过烟囱动力特性分析得到烟囱前 阶振型和频率；通过结构瞬态动力计算得到了风振响应，并最终得出了烟囱的 风振系数。 关键词：太阳能热气流发电系统；风场；温度场；太阳辐射；脉动风；风振响应 札 ， ， ， ， ， 正 ， ， 衢 ： ； ； ； ； ； 一一 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸鎏盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：懈 签字日期： 加厂年 一弓月，奄日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 减孓 导师签名：玄钉盈 签字目期：么镌年月日 签字日期：劫，年弓月，日 致谢 本文是在导师袁行飞教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、讨论、修改 到定稿无不凝结着导师的心血和汗水。读研期间，导师不仅在学业上给予我细心 的指导和鼓励，而且在生活上给予我莫大的关怀和帮助。永远不会忘记，在导师 组织的交流会上，课题组师兄弟妹们激昂而有益的讨论使每个人最大限度地拓展 自己的学术视野；也永远不会忘记，在读研报到因家庭贫困无力支付学费生活费 的窘境里，正是导师的援助和呵护帮我度过难关，导师严谨求实、一丝不苟的 治学态度，克勤克俭、宽以待人的宝贵品格都将使我受益终身！在此谨向恩师致 以深深的谢意和崇高的敬意。 在这里还要特别感谢董石麟院士和周定中老师。多年来，两位老师以多种方 式资助众多贫困学子完成学业，在袁老师的引荐下我也有幸成为其中一员，随后 两位老师又多次给我增长见识、锻炼提升的机会。董院士和周老师渊博的学识、 严谨的学风、虚怀若谷和平易近人的长者风范都令我无比钦佩和感激。 同济大学的钱若军教授在论文的理论框架和软件的学习运用上给予我巨大 帮助和指导，使我受益匪浅。钱老师深厚的理论功底、严谨的逻辑思维、孜孜不 倦的探索都给我留下深刻的印象，在此向钱老师致以深深的谢意和美好的祝福。 衷心感谢空间结构中心的罗尧治教授、关富玲教授、高博青教授、邓华教授、 赵阳教授、肖南副教授、苏亮副教授。他们深厚的理论功底和丰富的工程经验让 我肃然起敬，是我学习的榜样。论文在写作时还得到了陈水福老师、周新平老师 的指导以及博士王昕、王振华、罗桂发和硕士张陈胜、庞礴、余关鹏、杨伦、盛 建康的莫大帮助和支持，在此一并向各位致以深深的谢意和衷心的祝福。 衷心感谢郭佳民、向新岸、邢栋、田伟等博士师兄和赵晓旭、马春来、陶亮 等师兄在学业和生活上给我的关怀帮助；感谢空间结构 实验室的众同门和 众师弟妹，难忘这里撒满欢声笑语的日日夜夜。 感谢一直以来支持我的亲朋好友，感谢我的女友及其家人，祝你们健康平安。 感谢评阅本文和出席论文答辩的各位老师，专家，感谢你们在百忙之中给我 的帮助和指导。 最后感谢国家自然科学基金委对本课题的资助。 吕晓东 年月于紫金港 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 第章绪论 太阳能热气流发电系统概述 全球能源问题现状 目前全球能源利用领域存在两大难题：一是可供开采利用的化石能源储备相 对短缺，二是大规模的化石能源的利用给全球气候和环境带来巨大危害。煤、石 油和天然气等化石能源是目前全球应用最为普遍的能源，但化石能源属于不可再 生资源，并非取之不尽的。随着社会的快速发展和全球人口的不断增长，化石能 源的消耗水平也在大幅增长。据预测，全球蕴藏的可开采利用的煤和石油，分别 将在年和年内耗竭，天然气按储采比也只能使用年【】大量化 石燃料燃烧的直接后果就是将存储在地下的远古代碳源以温室气体的形式释放 到大气中，这将引起地球表面大气温度的持续上升卅。大气升温将给全球气候 和环境带来一系列危害：包括冰川退化、海平面上升，海水酸化、极端气候加剧 和作物减产等。 我国的化石能源储量远低于世界的平均水平，大约只有世界总储量的 ，其储采比只有世界储采比的一半左右，已经探明的人均可采储量，煤炭 为世界人均值的，石油为，可见我国化石能源资源储备相对不足；另 一方面，我国又是快速发展中的大国，能源消耗量逐年提高，快速增长的能源需 求和能源储备的相对不足将成为制约我国经济社会可持续发展的重要因素。解决 能源利用领域的两大难题的根本途径在于：减少化石能源的开采利用和大力发展 推广新的清洁能源技术。 近年来，太阳能、风能潮汐能等可再生能源发电技术发展迅速并在工程中 被大力推广运用。在各种可再生能源中，太阳能是最重要的基本能源，生物质能、 风能、水能、潮汐能都是来自于太阳能。比如生物质能是生物将太阳能储存在体 内，再通过物理、化学方法就可以将储存在生物体内的能量转化为我们所需的能 源刀表给出了我国几种可再生能源的资源总量和开发潜力引。从表卜可 知，太阳能发电的资源量比其它发电方式高两个数量级，因此可以认为太阳能的 开发潜力是无限的。 一 浙江大学硕上学位论文 第章绪论 表我国几种可再生能源资源总量和开发潜力（单位：亿千瓦） 太阳能发电有通过热过程和不通过热过程两种方式。通过热过程的发电方式 有：聚热式太阳能热发电、抛物面聚光发电，太阳能热气流发电、热离子发电、 热光伏发电、温差发电等；不通过热过程的发电方式有：光伏发电、光感应发电、 光化学发电及光生物发电等川。其中太阳能热气流发电是一项较新的通过热过程 发电的环保技术，非常适合太阳能资源丰富，人密度小，地域辽阔的地区。我 国西北地区太阳能资源丰富、年日照时数长，而且地势平坦无高山环绕，利用该 技术可以源源不断的发电，而且不会对环境造成破坏，因此该技术的推广和应用 对保护西北地区的生态环境、推动西部经济的发展、缓解我国能源与环境的矛盾 具有重要而深远的意义【】。 太阳能热气流发电技术介绍 太阳能热气流发电系统是一项利用太阳能集热以及烟囱效应驱动风力涡轮 带动发电机发电的新系统，最初由德国著名结构专家、斯图加特大学教授 提出。该系统由太阳能空气集热棚、带有发电机的风力涡轮、以及太 阳能烟囱三部分组成。集热棚采用透光且隔热的材料制成，用以吸收太阳辐射能 量使棚内空气温度升高；位于集热棚中央的烟囱，高耸达数百米至上千米，在烟 囱的抽吸和集热棚内热空气压力的联合作用下，烟囱引导棚内空气形成强大气 流，驱动涡轮机带动发电机发电，其运行原理如图所示。 太阳能热气流发电系统主要具有以下优点： （）有效利用荒地 太阳能烟囱热气流发电站的理想建造场地是人口稀少的 闲置土地，特别是荒漠、沙地等。因此该技术特别适合我国广阔的西北地区。 （）可以昼夜运行 集热棚下的地面蓄热系统能吸收并储存一部分太阳能， 并在夜闻释放出来，使得系统中形成连续风场从而保证发电机组的连续运行。 第章结论 塔高 直径 圈太阳能烟由发电拳琉姐成和运行犀理示意圈 （）建造材抖易得太阳能集热棚和熠由可以使用现有的常规材料建追，主 要包括玻璃，塑料混凝土和锭材等，材料易得，而且不蔷要较高的割追工艺。 （）运行维护简单 太阳能熠囱热气流电站的设备鞍其它发电技求简单，一 经建成运行维护费用低；而且设备规模越大，功率越太，发电效率也越高 （）靖洁能薄技术太阳能熠由热气流发电是清洁发电，运行时无需冷却水， 不会产生、等污染物和等温室气体据估算的太阳能烟囱 热气漉电站每车可以减少万吨等温室效应气体的排放。建造在大气污染 严重的工业地域的太阳能烟囱还能起到消除大气污蛰的作用。 太阳能热气流发电系统也存在一些缺点：倒如运行效率较低，电站型体巨大 施工建造田难、一次性投资过高，成本相对较高等此外电站长期运行后，大量 灰尘将会粘附在集热棚表面，导致采光性能下降自太阳能熠由热气流发电概念 被提出后研究人员为克服这些缺点相继提出一些新型太阳能烟囱热气流发 电模式，包括依附高山体建追的斜蛔囱式发电系统、斜坡集热棚式发电系统、太 阳能烟囱海水液化，热气流发电综告系统、漂浮烟由发电系统以及螺旋集燕式太 阳能热气流发电系统等” 年，希腊教授提出漂浮烟囱的新构想忙”漂浮熘由 是一种利用轻质气体产生的浮升力漂浮在大气自的新型烟囱。理论上其高度可达 数千米，从而显著提高系统发电减率，同时避免建遣超高耸钢筋混凝土烟由所 存在的风险刍毛点是建造漂浮烟囱所用材料的耐久年限较短，只有年左右 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 年，加拿大学者 提出在高纬度地区建造斜坡集热棚式太阳能 热气流电站的构想。黄国华与施玉川分析了该构想在我国高纬度的西北山 区应用的可行性。年，明廷臻【等提出了螺旋集热式太阳能热气流发电系 统，并通过数值计算证明：新型系统的流动与传热特征参数和西班牙模型计算结 果相接近的情况下，集热棚半径将减少约，占地面积和所需材料减少约， 采用螺旋集热式太阳能热气流发电系统比常规的太阳能热气流发电系统更具有 经济性和商业优势。其集热棚结构如图所示。 图螺旋集热武太阳能热气流发电系统集热棚示意图 理论研究和应用现状 （）理论研究现状 国外学者在相关理论研究方面取得许多成果。 年，推导了太阳 能热气流发电系统发电效率的计算公式。年，等构建了全面分析太阳 能热气流发电系统性能的热力学模型，认为系统内涡轮不能简单地当作风力涡轮 处理。年，与分析了几何参数和运行参数对烟囱性能的影响。 年，与在实验基础上构建了用于评估太阳能烟囱温度对系 统发电量影响的数学模型。年，与踺立了用来估算太阳烟囱系 统性能参数的解析模型【”。该模型使得不同几何参数和运行参数对烟囱性能的 影响易于理解。年，南非教授 领导的研究团队对太阳能 烟囱系统内的热力循环和能量损失、涡轮性能强化以及系统内空气压降等进行了 研究，取得了一系列研究成果】。年，等构建了用于估算大规 浙江大学硕士学位论文 第】章绪论 模发电系统发电量的热网模型，并对系统性能进行了敏感性分析们。年， 希腊教授对其提出的漂浮烟囱的性能进行了一系列理论研究，包括 漂浮烟囱的结构设计、风力影响规律和成本估算等。年，德国教授 对大规模太阳能热气流发电站进行了结构设计、性能评估和成本估算 等。年，与对集热棚内换热进行了详细研究，总结出一 套对流换热经验系数，并综合考虑地面的蓄热效应、玻璃品质、涡轮入损失系 数、对流换热系数、集热棚顶形状和入口高度等因素，构建了一套全面的数学模 型，来预测太阳能热气流发电站的性能【。年，设计了双壳型结 构用以加固烟囱并提高其动态稳定性。其原理为在烟囱底部建造双盐线型混凝土 外壳，烟囱口形状采用双曲线喇叭型。 国内学者对太阳能热气流发电技术的研究还处在理论分析和模型试验阶段。 年，上海交通大学运用一种简化分析方法对所构建的概念太阳能热气流发 电站的性能进行了预测，并针对宁夏地区的气候特点，对其在银川、平罗和贺兰 三个地区应用的可行性做了分析刀。年，中国科技大学的葛新石和叶宏分 析了太阳烟囱发电系统能量转换效率问题和太阳烟囱发电及其固有的热力学不 完善性，指出即使在理想的条件下，系统的发电效率也很难大于。 年，国家自然科学基金委资助了西安交通大学的“斜坡太阳能热气流发电系统及 其内部流动、传热规律研究”项目。年，山东科技大学采用太阳能真空 集热器替代透明塑料板集热器，组成了高效太阳能热气流发电系统，并对该高效 太阳能热气流发电系统进行了可行性分析【。同年，天津大学初步研究了太阳 能烟囱海水淡化及热气流发电综合系统的性能【。 华中科技大学刘伟教授等 运用传热学和流体力学对太阳能热气流发电系统进行了研究。并分析了系统内部 相对压力分布和系统抽力大小舶】。卫军等分析了超高耸太阳能烟囱结构建造的 可行性。年，华中科技大学建造了全国第一座太阳能热气流发电实验 装置，之后对集热棚和烟囱内的传热和流动过程进行了实验研究和数值模拟研 究弓】。年，浙江大学申请的“用于太阳能热气流发电技术的超高耸烟囱 结构研究”项目获得了国家自然科学基金委的资助，本论文工作即为其中一部分。 （）电站原型实验研究现状 年，在德国技术研究部资助下，芬诺沙电力公司在西班牙 目十 镕 建 一座功宰的安验原型电站这是世界上第一座太阳能 烟由电站，其外观如圈 所示这项研究计划的目标是通过现场试验来验证太 阳能烟囱发电系统的可行性并通过试骚来分析各部分对电站输出功睾和效宰的 影响 圈 太阳照舾窗发电赛鼙犀基 】年，美国科学家在康涅狄格州首府西哈特福穗市建造一座烟囱 高度为】 ，集热棚直径为 ，输出功率 的庭园武太阳能烟囱发电装 置” 美国佛罗里达大学校园中的装置州如田 所示：为起到加速气流的作用， 烟囱形体采周渐缩型，其直径从底部的 逐渐减小到顶部的 ，风力涡 轮机安装在熘囱出口。作者还对原装置的结构进行了两次改进：增大集热棚面穗 到 和在自然地面上增加吸热层通过对比改进前后装置内空气温度和速 度大小发现：两种结构改进都增加发电功卑 篇 ： ， 田羹国讳罗里达大学校西中曲太阳蓖烟囱模型 学砸学论上 年底，华中科技大学扬家宽领导的团队设计井建造我国第一麈太阳 能耀由发电装置划，并通过现场宴利获得了电站运行时的部分特性参数以及温 度场和风场舟布数据，该装置由直径的玻璃集热棚和高、直径的 蝈由组成，如图 所示。 慰濑 集热棚与蝈由联结部位 雷华中科技太学建造的太阳蓖蝈由模型 年巴西 （）大学建造了 一座太阳能蛔囱模型帅，如图 所示，集热棚高 ，采用玻璃纤维材质， 彤状呈水平状。为减少内部空气与环境空气在入口处产生强烈对流引起的热量损 失，口处高度爽变，降低至 烟囱分为个模块，每个模块高 ， 模块阎通过螺丝衔接，采用玻璃纤维包疆水质框絮制成 田 巴酉大学校园中的阳健蝈由模型 一 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 高耸结构分类与发展 考虑到太阳能热气流发电系统的经济性和可行性，其中的烟囱往往高达千 米，属于超高耸结构，因此高耸结构的分类和发展对研究太阳能热气流发电系统 的超高耸烟囱具有重要参考意义。 高耸结构的分类 高耸结构包括烟囱、电视塔、水塔、指挥塔、导航塔、输电线路塔、火箭发 射塔、天文观测塔、广场标志塔、旅游 望塔、石油化工塔、交通指挥塔等，应 用非常广泛。高耸结构按照约束条件可以分为两类：一类是自立式塔架结构，另 一类是带拉线的桅式结构。前者固结于地面，计算简图相当于悬臂梁；后者杆身 靠不同方向的纤绳拉紧以保持结构的直立与稳定，计算简图相当于弹性支座连续 梁。前者结构紧凑，所占空间较小，但用钢量较大；后者则与之相反。两类高耸 结构的计算简图见图。 叫 叫 叫 （）塔式结构 （）桅式结构 图两类高耸结构的计算简图 高耸结构按照材料可以分为钢筋混凝土高耸结构、全钢高耸结构和钢一混凝 土组合高耸结构。钢筋混凝土式高耸结构大多是圆筒式塔身，如天津电视塔、武 汉龟山电视塔以及中央电视塔（如图（）所示），因为圆筒结构风阻较小、 结构刚度较大、施工方便、比较经济。个别塔因为建筑艺术的需要可能做成多边 形或者其他非圆形截面。钢结构式高耸结构则采用空间桁架或者刚架，截面为单 轴或多轴对称形式，如黑龙江电视塔、青岛电视塔以及洛阳电视塔等（如图 一一 浙论文 第 绪论 （）所示）；当然无论高耸结构采用什么材科和形式都是高桑结构，对风作 周都很敏感 （）中央电视塔 （洛阳电视塔 番不同甘抖电视善示倒 高耸结构的发晨 现代高耸结构的发履始于年在法国巴黎建成的埃菲尔铁塔（图）， 其高度为多米，该塔以辅美的设计先进的技术开创现代高耸结构的先河。 在建成后的年里，一直保持着世界最高建筑的记录，堪称世纪最杰出的建 筑 进入世纪，随着广播电视和通讯的发展，高耸结构的应用也越来越广 泛起韧高耸结构棱大量应用干架设天线的铜桅塔；世纪年代起，无线电 台的大规模建设，促使高聱结构的制造向工业化方向转变 高塔的大量出现始于世纪年代，电视的普及促使电视塔越建越高，世 界各地相继建成很多风格軎异的电视塔，我国上海的东方明珠电视塔（囤 ） 就是其中的伎伎者，该塔总高度为，其中主体部分高度，天线长度 ，塔身由根直径，与地面呈度夹角的辩撑支撑，配以个直径分 别为，和的钢球体表现出。大珠小珠落玉盘”的惠境，这种设 计理念将宇宙空坷、飞船大箭和犀子结构等高科技形象与东方化完美结合起 来其造型在世界上独一无二，己成为上海的标志性建筑 浙江大学目女 镕绪论 图东方明珠电橇塔 舅磊一黧蚕 圈加拿大多伦多电视塔 伦多的象征，该塔塔身为中空的混凝土 为天线高度为中外驰名 的世界第一高塔，它包括天线在内的总 个扭转的椭圆螺旋，由上下两个不周尺 这种设计使该塔外观具有在塔身三分 现代广州的代表性建筑。 暇 煎，删糍 圈广州电视塔 本文的研究背景 目前，国内外有关太阳能热气流发电技术的研究集中在能源利用、热力学原 理和涡轮机效率等方面，有关结构设计方面的研究基本空白现有研究显示要使 一一 浙江大学硕上学位论文 第】章绪论 太阳能热气流发电站达到万千瓦的可用功率，烟囱高度将接近，这一 高度远远超过目前世界最高建筑的高度，因此太阳能烟囱属于超高耸烟囱的范 畴。风荷载一直是超高耸结构的的重要设计荷载，往往对结构设计起到决定性的 作用，烟囱作为高耸结构高宽比非常大，其横向结构柔度大而阻尼小，所以建筑 物上的风荷载及其响应特别明显。结构设计的任务是保证结构在强风作用下除了 满足承载能力、变形能力和稳定性要求外，还不会产生剧烈震动和过量变形从而 影响结构的正常使用。这就需要通过数值模拟研究系统内外风场的分布规律，通 过风速时程分析和风振分析确定结构的动力特性和响应，以确定超高耸烟囱工作 时的复杂风荷载条件。 太阳能热气流发电系统由于集热棚的集热效应，在集热棚下方以及烟囱内部 均会产生高温气流，使系统内部气流温度高于外界环境温度，这有可能在烟囱的 筒壁上产生较大温差，从而产生较大的温度荷载，引起烟囱筒体变形，给结构的 安全使用带来危害，所以通过数值模拟手段研究一定太阳辐射照射下电站内温度 场的分布规律对于确定结构工作时的复杂温度荷载条件具有显著意义。 本文的研究内容 本文以一发电功率为的太阳能热气流发电站为研究对象，从烟囱的 几何尺寸、功率效率与尺寸关系、合理几何形体等方面进行了理论研究、通过平 均风风场数值模拟、温度场数值模拟研究了系统内外风场和温度场的分布规律， 最后对其中的超高耸烟囱进行了风速时程分析和风振分析。主要研究内容如下： （）总结了影响太阳能热气流发电系统发电功率和效率的各种因素，通过数 值模拟研究了系统几何尺寸和形体变化对系统性能的影响，确定了超高耸烟囱的 合理形体，得到了功率为兆瓦电站的合理尺寸。 （）运用计算流体力学方法对系统内外风场进行数值模拟，得到了系统风场 的分布规律，按照风工程理论计算得到烟囱的风载体型系数，并与我国荷载规范 以及相关风洞试验数据进行了对比研究，得到了体型系数沿烟囱高度方向和圆周 方向的分布规律。 （）对计算流体力学软件中的辐射模型做了系统研究，采用数值传 热理论和计算流体力学方法，模拟了一定太阳辐射条件下系统内的辐射对流传热 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 过程，得到了沿集热棚高度和直径方向以及沿烟囱高度和直径方向温度的分布规 律。 （）采用时域分析方法中的谐波叠加法，同时引入快速傅里叶变换技术，以 西缪谱为标准谱对超高耸烟囱进行了风速时程模拟和分析；通过对烟囱进行动力 特性分析，得到烟囱的前阶振型和频率；运用有限元软件对结构进行瞬态动力 计算并进行了风振响应分析，最后通过简化计算方法得到了烟囱的风振系数 浙江大学硕士学位论文 第章太阳能热气流发电系统性能的影响因素分析 第章太阳能热气流发电系统性能和形体研究 引言 作为一种新的太阳能发电方式，与传统发电系统相比，太阳能热气流发电系 统具有设备简单、维护方便、无需冷却水、可昼夜运行、无温室气体排放、无固 体废弃物排出、运行成本低等诸多优点，同时也存在发电效率低下的缺点。结 构设计的主要任务是既要保证结构在各种荷载工况下安全可靠，又要保证系统各 部分尺寸合理，达到规定的发电功率，并且具有尽可能高的发电效率。因此，对 影响系统发电功率和效率的各种因素进行综合研究，找出对结构设计具有显著意 义的因素，并对其中的烟囱进行几何尺寸和形体设计是非常必要的。 热力学模型研究 西班牙试验原型电站建成以后，国内外学者围绕系统的热力学 原理、系统发电功率和系统的热效率从不同的角度进行广泛的研究，构建了多种 热力学模型，其中有代表性的模型有和杨家宽提出的模型。 模型 等早在原型电站建立之初，就根据系统的热平衡原理提 出一个简化的热力学模型，并建立了相应的能量转换效率计算公式。 等。将系统的热力学流动视为理想 循 ，即包含定压吸热、绝热膨 胀、定压放热、绝热压缩四个过程的循环，并从上述四个过程中得到了系统循环 效率，对系统实际循环的各个过程的能量损失，包括烟囱摩擦、集热棚、透平 以及烟囱等部件的沿程和局部损失进行了详细的分析与考虑，得到了实际系统的 极限性能、理想效率以及各主要变量之间的函数关系。 根据的模型，觥总的能量转换效率可以表示为各个部分效率的 乘积： ，?” （） 浙江大学硕士学位论文 第章太阳能热气流发电系统性能的影响因素分析 纸，是集热棚的效率，即太阳辐射能转化为热能的效率；。是烟囱的效率， 即集热棚吸收的热量转化为气流动能的效率；代表涡轮发电机的效率。集热 棚的效率可以表示为集热棚输出热，即气流热流量与太阳辐射强度和集热棚 表面积胡乘积的比值： 轧：旦：丝：兰：垒：生：竺 衣。竺产 辟棚为在集热棚出口或烟囱进口处的温度为阢）空气的密度， （） 其中，为空气质量流量，为空气的定压比热容，为集热棚入出口温差， 吃，和圪分 别代表集热棚出口和烟囱入口处空气的速度，为烟囱横截面积。烟囱将集热 棚产生的热流量转化为动能和势能，其效率可以表示为： 仇寺器 口 （） 、 其中，乇为系统的总压力差，包括静态压力差和动态压力差；为烟囱高度； 为地面周围温度。 涡轮机的效率，包括了叶片、传输和发电机三者的效率，并且常近似的看 作一个定值，建议取左右，杨家宽建议取值在之间加。 假设屹为烟囱入口处空气流速，屹代表烟囱底部和外界环境之间的压力 差，必为涡轮的压力降，涡轮机理论上的有效能量只，可表示为： 匕圪?必 （） 与电功率公式?，相类似，体积流量圪?，类似于电流，压力降尸 类似于电压。其适合的特征曲线可用以下公式表示： （） 步再 达到极大值的条件为： 浙江大学硕士学位论文 第章太阳能热气流发电系统性能的影响因素分析 后 巫以 乙? （） 简言之，当的总压降被涡轮利用时，能量达到最大。这样转化为涡轮的机械 能大小为： 厶，一亏仉胡仇刊亏毒皿。 （） 最终系统的发电功率可以表示为： 胁厶一?；仉，?仇?厶? （） ；彘毋如 （） 综上可知：太阳能热气流发电系统中，烟囱的效率只和烟囱的高度有关，而 与集热棚内空气的速度和温度增量无关；太阳能烟囱发电功率与。?彳硎成正 比，而且由不同的烟囱高度和集热棚面积组合可以得到相同的输出功率，所，该 电站不存在最佳尺寸组合，要获得电站的最佳尺寸组合还需结合特定场地所有组 成部分（集热棚、烟囱、机械制造等）的成本来确定。 杨家宽模型 杨家宽等详细分析了系统的能量转换过程，同样基于热平衡理论建立了系 统的热力学模型，根据对流换热理论、烟囱中流速与压差的关系以及质量连续性 方程得到反映烟囱效应的的烟囱内空气流速表达式，最终给出系统发电功率和能 量转换效率的表达式。 根据杨家宽的模型，太阳能烟囱发电技术中能量转换可以分为三个过程： 集热棚内太阳能到空气热能的转换、烟囱中空气热能到动能的转换和空气动能到 涡轮发电机电能的转换。根据对流换热理论，烟囱中流速与压差的关系以及质量 连续性方程可以得出反映烟囱效应的烟囱内空气流速表达式： 融唧广蔫舞 亿 浙江大学硕士学位论文 第章太阳能热气流发电系统性能的影响因素分沂 涡轮机的发电功率可以表示为： ?“掰竿 式中， 气密度，为烟囱截面半径，为运动粘度。 亿 口为热扩散率，勺为定压比热容，为重力加速度，皿为烟囱高度，以 为集热棚四周离地面间隙高度，为集热棚内空气温度，无为集热棚入口空气温 度，为集热棚内地面温度，占为集热棚四周处入口空气突扩流速减小系数， 为涡轮机能量转换效率，五为导热系数，以为室温空气密度，以为烟囱底部空 公式（）大括弧中的第一项代表空气的特性参数，反映了发电功率与温 度的间接函数关系；第二项表示了发电功率与空气温度、地面温度的直接函数关 系；最后一项表示了发电功率与太阳能烟囱发电系统的几何尺寸关系。 系统性能影响因素归纳 综合上述理论分析的成果，太阳能热气流发电系统发电功率和效率的影响因 素可以归纳为以下三个方面： （）自然环境条件 主要包括太阳辐照度、周围空气温度、地面温度和空 气的特性参数（比热容、密度）等。这些条件随着电站建造地域的变化而有所不 同，所以即使是几何尺寸和材料属性相同的电站，因建造场所的自然条件的变化， 其发电功率和效率也都不尽相同。 （）材料物理属性 主要包括集热棚覆盖材料的工程热物理属性（玻璃的 吸热系数、透过率等）、烟囱筒壁的保温隔热性能、地面蓄热层的黑度、各组件 表面的粗糙程度等，这些因素受到材料的制作和工艺水平的影响，通过改善材料 属性和改进工艺水平可以在一定程度上提高系统的效率。 （）系统几何尺寸 主要包括烟囱的高度、直径、形状；集热棚的直径、 离地高度等，从上述理论公式中也可以看出，烟囱和集热棚的几何尺寸是系统发 电功率和效率的最显著的影响因素。 浙江大学硕上学位论文 第章太阳能热气流发电系统性能的影响因素分析 几何尺寸和形体对系统性能影响研究 以上归纳出来的各种因素对系统性能的具体影响还需要借助实验手段或者 数值模拟方法做进一步分析和验证。随着计算流体力学技术和软件的发展以及计 算机性能的日益提升，运用计算流体力学软件进行数值模拟比实验手段具有更大 的灵活性和经济性，可以任意的改变模型的尺寸和边界条件，计算进行的时间、 地点、次数和经费均不受限制。因此论文采用方法，通过变换某个参数来 研究其对系统性能的影响。在电站的建造地域一定，建筑材料选定的前提下，自 然环境条件和材料物理属性这两大因素就成为定值，所以论文只研究系统几何尺 寸和形体的变换对系统性能的影响。 模型概况 本文以在烟囱中心产生的风速、空气流率或者压差为评判标准，选取烟囱高 度、烟囱直径、烟囱形状、集热棚直径和集热棚离地高度五个因素作为研究对象， 通过改变其中一个因素，保持其他因素不变，来研究各因素对系统性能的具体影 响。计算软件为。 本文选取的模型尺寸参考西班牙试验原型电站尺寸，每个因素 选取三个代表性的值进行计算，共计五组个模型，其中第一组模型同时考虑 太阳辐射传热和外围风场的共同作用，其他组模型均不考虑外围风场的影响。具 体分组如下： 第一组：仅变换烟囱高度，烟囱高度分别取、； 第二组：仅变换烟囱直径，烟囱直径分别取、，； 第三组：仅变换烟囱形状，烟囱形状分别取渐扩型、直筒型、渐缩型； 第四组：仅变换集热棚直径，直径分别取，； 第五组：仅交换棚离地高度，离地高度分别取，。 模型的详细尺寸见表，表烟囱直径中（上）表示烟囱上端直径，（下） 表示烟囱下端直径。直筒型发电烟囱模型示意图见图。其中、分别表 示烟囱直径、烟囱高度、集热棚直径；、分别表示集热棚外缘离地高度和 内缘离地高度。 浙江大学硕上学位论文 第章太阳能热气流发电系统性能的影响因素分析 图 电站模型尺寸参数示意图 一 浙学学逝论！ 镕自太热屯采拍自索舒忻 需要特别指出的是第三组模型通过改变熠由的形状采研究系统的性能，三 种体型烟由的高度和体积分别相等，只是截面面积发生麦化圈给出三种 模型的示意图，其中烟囱高度为，直筒烟囱直径为集热棚直径 为，烟囱较小端直径为 ， 一。， ）渐扩型 （）直茼型 （）新绾型 田三种体型魍由示意田 建模过程是在自带的前处理程序里完成的，网格粪型为非 结构化四面体混合网格，整体结构网格划分见图图 路出了局部网格放 大国 上孽 （）集热棚 （熘自集热棚 联结部位 圈整体罔椿划分圈 田局部同格放大田 采用的主要边界条件有：集热棚口为速度入口边界、熠囱出：为压力出口 边界、烟由表面、集热棚表面和地面均采用无滑移的壁面边界条件和恒温边界条 件，温度边界值参考支献的取值：环境温度取，重力加速度值取 ， 工作压强取一个标准大气压湍流模型选用可实现的双方程模型、在近壁 面稳流至层流的过渡区呆慝非平衡壁面函数处理，打开浮力选项考虑浮井力的影 响；用算法隶解方程，控制方程采用有跟容积方涪高教，高教格 浙江火学硕士学位论文 第章太阳能热气流发电系统性能的影响因素分析 式采用一阶迎风格式；选择基于压力的分离隐式求解器，当残差小于击时认为 计算收敛。 数值模拟结果分析 （）烟囱高度的影响 第一组模型只变换烟囱的高度，如果只考虑太阳辐射传热，在中 计算后发现三种不同高度烟囱的中心风速没有显著变化，这是因为增大烟囱高度 并不会显著增大被系统利用的太阳辐射能量，同时烟囱的直径没有变化，根据连 续性方程，烟囱中心风速也就不会明显改变，但实际上烟囱高度的变化对烟囱效 应的影响最为显著，这需要考虑外围风场的影响，因此本组模型的计算多一步， 即加入外部流域，关闭能量方程，计算环境风速为时不同高度烟囱的烟 囱效应，并将计算得到的风速叠加到第一步的计算结果中，如图所示。 由图可以发现：增大烟囱的高度，烟囱效应将得到加强，从而显著增大 烟囱中心风速，由于烟囱的直径保持不变，烟囱底部的空气流率必将显著增大； 空气流率的增大，将会导致系统发电功率的显著增加，由此可见，烟囱高度对系 统功率和效率具有直接而显著的影响。 望 。豳 暖 。 昏 图烟囱高度对系统中心风速的影响 （）烟囱直径的影响 烟囱的直径分别取，和进行计算后，得到烟囱出口的空气流 率见图。 浙江大学硕士学位论文 第章太阳能热气流发电系统性能的影响因素分析 由图可以发现：烟囱直径取时，底部的空气流率最大；烟囱直径取 和时的空气流率都低于该值；这说明烟囱的直径并非越大越好，在一 定程度范围内增大烟囱的直径，可以显著增加烟囱出：的空气流率，这是因为增 大烟囱的直径，可以减少烟囱内空气流动时产生的局部阻力损失和沿程阻力损 失；但是当烟囱的直径过大时，其减少这种损失的程度越来越不明显，同时过大 的截面削减了集热棚的采光面积，又使烟囱底部风速骤降，尽管烟囱截面积有所 增大，但不足以抵消风速降低带来的流率损失，因而总的空气流率降低。所以在 电站的结构设计中，烟囱的直径必须适中，过大或过小都将降低系统的流率，具 体取值应通过软件计算或者实验手段获取。 芝， 霪 制 烟囱直径（） 图烟囱直径对底部空气流率的影响 （）烟囱形状的影响 第三组采用了三种形状的烟囱建模计算，分别是渐扩型、直筒型和渐缩型， 渐扩型即烟囱直径随高度的增加而增大；渐缩型则相反；直筒型即烟囱直径不随 高度的变化而变化；需要指出的是，不管是哪一种体型的烟囱，都必须满足高度 和体积相等的原则，这样计算结果才具有可比性。不同形状烟囱的中心风速和压 差见图和图。 由图可以发现：随着烟囱高度的增加，渐扩型烟囱内风速由大变小，渐 缩型烟囱与之相反，这是连续性方程起作用的结果；此外还可以发现：在烟囱体 积相同、高度相等的情况下，渐扩型烟囱产生的空气流速最大，直筒型次之，渐 缩型最小； 浙江大学硕上学位论文 第章太阳能热气流发电系统性能的影响因素分析 由图可以发现：渐扩型烟囱产生的负压差最大，直筒型次之，渐收型的 压差为正。由于太阳能热气流发电系统中采用的是压力级涡轮机，只有大的风速 并不一定就能产生大的发电功率，还必需有足够的负压差，因此仅从系统效率角 度出发把烟囱建成渐扩型是最理想的。 芝 瑙 暖 烟囱高度（） 冒三种体型烟囱中心风速变化曲线 甩 乳 、一 猁 坦 包 照 图三种体型烟囱底部压差变化曲线 （）集热棚直径的影响 浙江大学硕士学位论文