基于太阳能烟囱发电系统集热性能试验的集热棚倾角优选

聂 晶，田 瑞,2，蔡琦龙，高 虹，郭子睿，张维蔚※

（1.内蒙古工业大学能源与动力工程学院，呼和浩特 010051； 2.内蒙古可再生能源重点实验室，呼和浩特 010051)

0 引 言

随着化学燃料的限制使用和环境问题的加剧，可再生能源的发展成为必然趋势。太阳能以其资源广泛、利用形式多样在可再生能源中起着重要作用。太阳能烟囱发电技术是一种真正意义上能够替代基于碳能源经济的“绿色”可持续发电技术。但太阳能烟囱发电系统（solar chimney power plant，SCPP）效率较低、结构庞大，在世界范围尚未实现商业化生产。因此，对SCPP系统各部组成结构进行优化，提高系统效率，提高不同地区不同建设条件的适用性，对于保持低温太阳能可持续利用改善能源结构，满足能源要求起着重要作用。

太阳能烟囱发电设想是在1903年由Cabanyes首次提出，1978年Schlaich教授及其同事设计并在西班牙Manzannares建成了第一座SCPP电站[1-4]。之后在不同国家地区对不同结构的太阳能烟囱发电站进行理论及试验研究：美国[5]、土耳其[6]、中国[7-9]、巴西[10]、伊朗[11-13]、印度[14]、新加坡[15]等国家进行小型SCPP试验系统台架搭建，对SCPP系统进行测试。随着Ansys等计算软件的推广应用，促进了SCPP系统在单一集热棚倾角下的性能和控制方程[16]的提出；更有效地建立了集热系统与发电效率及输出功率之间的数学模型分析方法[17]。同时数学模型的建立也促进了系统效率的影响因素[18]和蓄能系统[19]的数值模型分析研究。包括SCPP系统在瞬态条件下，蓄热材料对集热系统的热力学特性和输出功率的影响进行数值模拟计算[20]；结构几何形状如发散形烟囱的几何形状对太阳能烟囱发电输出功率的影响[21]的数值模拟分析；模拟太阳光辐射效应使用太阳光线追踪算法对集热效率展开数值模拟研究[22-23]，集热棚在固定倾角下较小范围内改变，对系统热力学性能影响的数值模拟和试验分析[23]等。除此之外，研究者还对太阳能烟囱发电系统的结构进行各种优化[24-29]。然而，在上述理论计算和试验研究中集热棚均在单一倾角下对太阳能烟囱发电系统进行分析研究。而未考虑不同地区、经纬度不同、太阳光入射角不同，蓄热层吸收太阳辐照不同而导致研究地点最佳集热棚倾角不同。本文以呼和浩特地区太阳能烟囱发电系统集热特性为研究对象，将太阳能烟囱集热系统集热棚倾角在40°、20°、10°、0°搭建测试台架，通过试验研究的方法测试不同集热棚倾角下太阳能烟囱发电系统的集热性能，选取最佳集热棚倾角，为实现在内蒙古地区农业应用提供技术支撑。

1 太阳能烟囱集热系统结构

SCPP发电系统由集热棚、烟囱及涡轮机三部分组成。该技术集温室技术、烟囱技术和涡轮机发电技术于一体。太阳能集热棚收集太阳辐射，蓄热层温度升高。蓄热层加热进入到集热棚内空气使其温度升高，密度下降。集热棚内外空气形成密度差，产生抽吸力，使得集热棚内空气向上运动，推动集热棚出口处涡轮叶片转动,带动发电机发电。该系统通过吸收太阳辐射形成人工气流推动涡轮机做功实现电流输出，不依赖自然条件形成的风速推动涡轮机做功。同时，不需要阳光直射，即使在阴天条件下也可以吸收太阳光中的散射辐射，加热进入集热棚内空气。因此该技术成为非常有前景的太阳能低温发电技术。

2 集热测试试验

2.1 测试平台

太阳能烟囱集热测试平台如图1，组成如下：集热棚空气入口距离地面0.1 m，集热棚直径4 m，烟囱高度2.5 m，直径0.12 m。分别做0°，10°，20°，40°，4种倾角集热棚。采用50 mm×50 mm方钢焊接作为集热棚底座支架。选用透光率为85%阳光板作为集热棚材料，集热棚支架由40 mm×20 mm方钢分为6组焊接组成，中间用50 mm×50 mm方钢进行固定。集热棚底部支架与集热棚支架之间通过密封条密封，集热棚侧边和底边采用压条密封，阳光板夹层以及集热棚与烟囱之间的选用硅酮玻璃胶密封。蓄热层由30 mm橡塑加厚海绵与80 mm挤塑板下敷设30 mm竹丝板组成。

图1 太阳能烟囱试验系统Fig.1 Slope solar chimney test system

2.2 测试系统

集热棚温度场测试系统由PT100型粘贴式铂电阻、TOPRIETP700多路数据记录仪、Flow anemometer&thermometer as856s精密型风速温度仪、AVM～07式流动风速仪、BSRN3000型气象观测系统组成。

当被照射表面倾斜角度与当地纬度相同时，太阳对蓄热层表面的辐照最强[30]，选取呼和浩特地区纬度40°作为集热棚倾角，与其他倾角20°，10°和0°同时进行太阳能烟囱发电系统集热特性测试比较分析。测试系统示意图如图2所示，BSRN3000气象观测系统60 s进行1次数据采集。记录太阳总辐射、直辐射、散辐射以及风速风向等环境气象数据。PT100粘贴式热电偶温度数据通过TOPRIETP700多路数据记录仪进行每30 s采集数据1次，AVM～07式流动风速仪60 s进行1次数据采集。在测试数据采集过程中，TOPRIETP700多路数据记录仪采样数据与BSRN3000气象观测系统同步记录，期间TOPRIETP700多路数据记录仪多1次数据采集，2次取平均值，减小测量误差。太阳能烟囱集热棚测试系统中蓄热层上表面均布68个热电偶，下表面均布30个热电偶。

图2 集热棚倾角40°太阳能烟囱测试系统Fig.2 Solar chimney test system with 40°collector slope

2.3 试验条件

太阳能烟囱测试系统搭建在室外环境，测试条件受外界环境风速影响较大，若外界环境风速较大会引起蓄热层表面气体流动增加，增大对流换热损失，蓄热层温度测量精度受到影响。因此，测试试验选择在5月下旬到9月中旬室外环境温度、环境风速基本稳定工况下对各种天气情况进行测试。选取测试环境温度及平均环境风速相似天气，对特定相似试验天气情况进行蓄热层温度场测试试验数据分析。

2.4 试验方法

2.4.1 集热棚均匀性分析方法

集热棚蓄热程度通过集热棚内蓄热层温度分布均匀性来体现。将蓄热层上表面某点对应温度值用一组离散型随机数列表示即(x,y,T(x,y))。其中，T(x,y)为将蓄热层上表面某点(x,y)对应的温度值。采用方差分析法对离散型随机变量温度分布的均匀性分析。设S2为离散型温度随机数列偏离均值的平均程度，定义温度非均匀性系数为ΔS。

设：随机数列在蓄热层表面的平均温度：

式中k为数据个数，k=13；Ti为温度，℃；为平均温度，℃。

式中L为正南方向热电偶分布数量，L=7；M为正西方向热电偶分布数量，M=3；N为正东方向热电偶分布数量，N=3。

2.4.2 集热棚格拉晓夫数分析

对于自然对流流动，体积力与压力梯度合并成为浮升力，自然对流的动量微分方程为

式中u为x方向分速度，m/s；v为y方向分速度，m/s；αv为流体的体胀系数，K-1；g为重力加速度，m/s2；θ为过余温度，

以分别作为流速，长度及过余温度标尺，将（4）式进行无量纲化：

式中带上“*”的量为无量纲量，又

将（5）式项与雷诺数Re数相乘，得到格拉晓夫数Gr数，表示自然对流程度，当Gr数相当大，达到Gr>109时，自然对流边界层就会失去稳定而从层流状态转变为紊流状态，通过格拉晓夫数Gr来确定流动状态，表示浮升力作用的影响。不同集热棚倾角下太阳辐照进入集热棚内入射角不同，蓄热层内接收辐照量不同，温度场分布不同，故产生浮升力大小不同。不均匀的温度场所造成不均匀密度场产生的浮升力成为集热棚内空气运动的动力。

3 试验结果与分析

3.1 蓄热层温度场测试分析

试验在自然情况下进行，呼和浩特的气候是温带季风气候。试验月份主导风向为西北风。全天平均风速小于4 m/s，太阳辐照强度GHI（global horizontal irradiance）范围200～1200 W/m2。选取上午11:30辐照强度 GHI均为800 W/m2，不同集热棚倾角下蓄热层温度场进行比较分析。

为避免个别试验数据出现坏点影响试验结果，对相似天气情况进行多次重复测试，对试验数据进行归一处理。使试验数据具有重复性、归一性。同时对相似测量工况，即不同测试日期相同总辐照强度工况下测试系统各点温度进行概率统计，剔除相差较大且出现概率较小的点，使用均值法排除偶然因素对试验结果的影响，提高结果的准确性。图3为相同辐照强度GHI条件，同为晴朗天气状况下集热棚倾角分别为40°，20°，10°，0°集热棚内蓄热层的温度场分布云图。

从图3中可以看出：在不同集热棚倾角下蓄热层最高温度在71.4～88.4℃之间。当集热棚倾角为0°和10°时蓄热层温度场最高温度相比集热棚倾角为20°和40°低。因为在0°和10°集热棚倾角测试期间环境温度为24和25℃，相比于集热棚倾角为20°和40°时的环境温度29和28℃低。由于测试环境温度不同导致进入集热棚内空气的对流换热的初始条件不同，参与换热的工质温度不相同，直接影响到集热棚内温度场的温度分布。同时，由于环境温度不同，相同热流通量，传热温差不同，导致集热棚内的各项热损失不同，环境温度越低各项损失就越大，造成集热棚内空气与集热棚外环境换热损失增大，最高温度降低。从图3中还可以看出，集热棚倾角在0°和10°时，蓄热层高温分布范围比集热棚倾角为20°和40°大。因为在相同集热棚半径时，如果集热棚倾角增大，集热棚出口距蓄热层地面高度增加，集热棚内空间增大，所以换热量增多。因此在较高集热棚倾角下，蓄热层低温范围区域较大。此外，蓄热层温度分布受环境风速影响较大，选定测试时间内不同集热棚倾角环境风速分别为：40°时 2.4 m/s，20°时 4.9 m/s，10°时 2.6 m/s，0°时4.3 m/s。如图3云图右侧均为低温分布区域，在温度云图右侧测试区间位置为空气入口处，因此蓄热层该区域在不同集热棚倾角下都处于低温区域。

图3 相同GHI条件下不同集热棚倾角下蓄热层温度场分布Fig.3 Energy storage layer temperature distribution in different heat collector slope in same GHI condition

3.2 蓄热层温度场均匀性分析

图4为不同集热棚倾角下蓄热层非均匀性系数随着辐照强度GHI的变化规律。从图4中可以看出，随着GHI增加蓄热层非均匀性系数增大，蓄热层表面温度变化较为剧烈。由于集热棚呈圆台布置，集热棚不同方向棚面的太阳入射角不同，蓄热层表面不同位置接受GHI不同。随GHI增加蓄热层表面接受GHI能量的差异更加明显，整个蓄热层表面温度分布非均匀性增加。从图4中还可以看出，相同GHI，随着集热棚倾角的增大，蓄热层温度非均匀性系数增加。因为随着集热棚倾角增大，集热棚表面上不同位置的太阳入射角差异增大，由于蓄热层表面接受的GHI差异增大，导致蓄热层温度分布不均匀，整个蓄热层表面温度非均匀性增加。同时，随着集热棚倾角的增大，集热棚出口位置距地面高度增加，棚内空气流通体积增加，对流换热量增大，温度分布更加不均匀，蓄热层温度非均匀性系数增大。

不同集热棚倾角下蓄热层温度场温度分布不同，温度场非均匀性系数在0～1.7之间，当集热棚倾角为10°时，温度场非均匀性系数在0.15～0.24之间，蓄热层均匀性较好，集热性能存在最优值。在集热棚为0°和10°倾角时，非均匀系数存在交点。测试期间随着辐照强度增加，蓄热层壁面温度升高，蓄热层各点温度分布不同，整个蓄热层壁面非均匀性呈上升趋势。当辐照强度低于725W/m2时，蓄热层壁面各点温升与进入集热棚内部的环境空气温差较小，故在0°集热棚倾角非均匀性系数较10°集热棚倾角时低。当辐照强度大于725 W/m2时，由于辐照增大蓄热层壁面整体平均温度增加，蓄热层壁面各点温度与进入到集热棚内部的环境空气温度相差较大，非均匀系数都有不同程度增加。但在10°集热棚倾角下，由于集热棚壁面结构对空气的导流作用使得在10°集热棚倾角下蓄热层非均匀性系数低于0°集热棚倾角下蓄热层非均匀性系数。

图4 不同集热棚倾角下蓄热层均匀性分析Fig.4 Heat storage layer temperature uniformity analysis in different heat collector slop

当集热棚倾角低于10°时，由于集热棚出口距地面高度较低，棚内空间小，集热棚内蓄热层壁面换热量较少，温度非均匀性分布系数小。因此，选择较低集热棚倾角，其蓄热层非均匀性分布系数小，蓄热层壁面温度分布更均匀，更有利于换热。较高辐照强度GHI下，10°集热棚倾角的蓄热层温度分布更为均匀。

3.3 集热棚内竖直平面温度场分析

图5为在不同集热棚倾角下集热棚内沿南北方向竖直平面温度场分布图。从图5中可以看出温度分布主要为由下至上温度逐渐降低，最高温度分布在距蓄热层较近位置，在集热棚进口及集热棚出口处温度较低。随着集热棚倾角降低，集热棚出口距蓄热层高度下降，集热棚出口温度增加，集热棚出口温度值在10°集热棚倾角时最高53.5°。在0°倾角的集热棚出口温度低于10°倾角的集热棚出口温度。随着集热棚倾角的降低，集热棚出口距地面高度降低，流体换热空间体积减少，使得从图5集热棚出口流体温度逐渐增高。在0°时集热棚出口与棚面在同一平面，蓄热层平面距集热棚壁面之间的高度为0.1 m，远小于空气入口到集热棚出口之间半径的距离2 m，空气在蓄热层壁面换热后经较短距离到达集热棚壁面，与集热棚壁面进行换热，因此从正南方向进入集热棚入口的空气温度在竖直方向集热棚壁面上温度较低。同时，由于测试时间为上午，太阳位置朝东，测试环境风速均为西风，蓄热层温度场最高温度范围及最高温度区域均向东有不同程度偏移。

图5 不同集热棚倾角竖直面温度场分布Fig.5 Vertical surface temperature field distribution in different heat collector slope

3.4 热棚格拉晓夫数分析

图6为在不同倾角下，集热棚竖直平面内Gr随辐照变化曲线。在竖直平面内，当辐照强度低于550 W/m2时0°集热棚倾角时Gr大于10°集热棚倾角时Gr；辐照强度大于550 W/m2时0°集热棚倾角Gr数低于10°集热棚倾角时Gr。因为在0°集热棚倾角下，当辐照强度低于550W/m2，测试时间均在上午09:00之前，环境温度较低，蓄热层接收辐照后温度升高，与环境温差逐渐增大，使得棚内外空气密度差逐渐增大，浮升力大，所以Gr在集热棚倾角为0°时大于集热棚倾角10°。

当辐照强度大于550 W/m2时，在0°集热棚倾角下，随着辐照强度的增加，集热棚内换热量增加，热损失增大，温度升高速度较慢，集热棚内外温差逐渐降低，Gr数出现下降趋势。同时当集热棚倾角为0°时，集热棚内部空间换热相当于平板间换热，在集热棚壁面与蓄热层壁面间对空气没有向上的导流作用。即平板间的外界气流横掠蓄热层时，随着辐照强度增加，集热棚壁面减缩流道对气流导流的作用，浮升力降低，也导致Gr数有所降低。因此Gr曲线在10°，20°，40°集热棚倾角下曲线存在交点。

图6 不同集热棚倾角竖直面Gr数分布Fig.6 Vertical surface Gr number distribution in different heat collector slop

当辐照强度大于550 W/m2时，除0°倾角，随着集热棚倾角降低，集热棚内竖直平面上Gr逐渐增大。因为随着集热棚倾角降低，集热棚出口位置距蓄热层高度降低，进入集热棚内空气在竖直平面内通过的面积减少，空气速度增大，蓄热层壁面换热增强，集热棚出口处气流温度较高，棚内外气流温度差增大，密度差增加，浮升力增大，表现为Gr数逐渐增大。

不同集热棚倾角下，集热棚内格拉晓夫数Gr变化范围在8.0×109～1.55×109之间。随着集热棚倾角降低，当集热棚倾角为10°时格拉晓夫数Gr等于1.55×109，为最大值。

图7为竖直平面内在集热棚倾角为10°时，选取总测试数据中典型天气气象条件，如晴朗、多云、无云气象条件，集热棚竖直面Gr分布。从图7中可以看出，在10°集热棚倾角下竖直平面内Gr数分布趋势类似。随着辐照强度GHI在400～600 W/m2范围增大，竖直平面内Gr数逐渐增大。在测试期间辐照强度达到600 W/m2均在上午11:00左右，在测试期间环境风速均小于等于2 m/s，但在9月5日和9月9日，当辐照达到800 W/m2时天气出现多云，且风速增大，故Gr降低；在9月12日由于全天风速均大于3 m/s，Gr较为平缓。

图7 10°集热棚倾角下典型气象条件竖直面Gr分布Fig.7 Vertical surface Gr number distribution of typical weather conditions in same heat collector slop(10°)

4 结 论

针对呼和浩特地区不同集热棚倾角下太阳能烟囱集热特性开展试验研究，优化太阳能烟囱发电系统集热集热特性。分别对不同集热棚倾角下不同辐照强度GHI蓄热层表面的温度场、温度分布均匀性以及集热棚竖直平面格拉晓夫数Gr进行比较分析，得出以下结论：

1）不同集热棚倾角下蓄热层温度场温度分布不同，温度场非均匀性系数在0～1.7之间，当集热棚倾角为10°时，温度场非均匀性系数在0.15～0.24之间，蓄热层均匀性较好，集热性能存在最优值。在相同辐照强度条件下，环境温度及风速对蓄热层最高温度有一定影响。

2）不同集热棚倾角下集热棚内竖直平面温度分布不同，集热棚出口处最高温度随集热棚倾角降低而增加，当集热棚倾角为10°时，集热棚出口平均温度为53.5℃较其他集热棚倾角下存在最大值，且竖直平面内最大温度偏移较低。

3)不同集热棚倾角下，集热棚内格拉晓夫数Gr变化范围在8.0×109～1.55×109之间。随着集热棚倾角降低，当集热棚倾角为10°时格拉晓夫数Gr等于1.55×109，为最大值；且在相同集热棚倾角下，不同天气情况Gr数变化趋势相同，辐照强度及环境风速对Gr具有较大影响，直接决定Gr的变化规律。

综上所述，在呼和浩特地区对太阳能烟囱集热系统进行测试分析，确定最佳集热棚倾角。在10°集热棚倾角下，集热棚蓄热层温度场分布、均匀性、集热棚竖直平面内集热棚出口温度及Gr存在最大值。认为在呼和浩特地区选取集热棚倾角10°在结构上更为合理。

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