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

(1.华北电力大学，河北 保定 071003;2.上海通华燃气轮机服务有限公司，上海 200003;3.中国华电集团公司 上海分公司，上海 200003;4.上海华电闵行能源有限公司，上海 201108)

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，该技术具有结构简单、清洁等优点。

西班牙Manzanares太阳能烟囱发电厂原型［1］表明，太阳能烟囱是一种实用的太阳能发电技术。1983 年和 1984 年，Haafw，Friedrich K 等［1－2］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:

(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Manzanares太阳能烟囱发电系统原型作为研究对象，建立数值模型，应用Fluent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，结合数值模拟结果分析太阳能烟囱发电系统中不同结构尺寸对发电功率和效率的影响，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Manzanares太阳能烟囱电厂的结构数据进行建模，其整体结构如图1所示。集热器入口高度为he，烟囱高度为h3，集热器出口高度为h1，透平高度为hT，集热器直径为df，烟囱入口直径为d1，烟囱出口直径为d2。结构参数见表1。

图1 太阳能烟囱发电系统结构简图

表1 西班牙Manzanares太阳能烟囱电厂结构参数 m

1.2 模型假设

(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。

(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95%，另外5%被反射掉。

(5)没有内热源，认为太阳辐射为唯一热源。

(6)流动过程为稳态、常物性。

(7)空气被认为是参数满足状态方程的理想气体，p=ρRT，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。

2 Fluent数值模拟

2.1 模型绘制及网格划分

太阳能烟囱发电系统整体呈轴对称结构，所以可以采用二维图来进行模拟。在划分网格时，将模型分为5个部分，分别进行网格划分，以得到结构化网格。集热器部分气流速度、温度变化较大，所绘制的网格较密集，而在烟囱部分所绘制的网格较稀疏，并且尽可能使网格接近正方形，以利于模拟收敛。

所建模型如图2所示，网格采用了Map方法绘制，网格总数为34700个。集热器进口和烟囱出口采用了压力入口和压力出口边界条件。

图2 平面模型及网格

2.2 边界条件

(1)太阳能烟囱系统的基本结构参数见表1。

(2)边界温度:集热棚壁面温度参照文献［3］取为316K;集热棚入口取为常温293K;烟囱出口根据烟囱高度，考虑沿高度衰减率后确定气流的回流温度。

(3)边界速度:集热棚壁面、地面、烟囱壁面气流速度均为0。

(4)集热棚入口以及烟囱出口采用压力边界条件，集热棚入口压力采用1个标准大气压101325 Pa，按照压力沿高度方向衰减的规律推算出烟囱出口的压力。

3 系统的能量转化效率

3.1 集热棚热转换效率

集热棚下方地面吸收太阳能加热其上方流动空气，地面吸收的总太阳能为

式中:τd为集热棚盖板透光率;εf为地面发射率，εf=1;S为太阳辐射强度，W/m2;Ad为集热棚盖板面积，m2。

集热棚中空气温度由进口处的环境温度T0被加热到出口温度Ta1，则单位时间内空气焓增为

式中:m为空气质量流率，kg/s;cp为定压比热容，J/(kg·K)。

集热棚内空气处于低速状态，吸热时间长，空气温升较明显，因此该处空气焓增较明显;集热棚进出口面积变化小，空气受热后密度变小，由连续性方程得知集热棚出口空气速度较大;集热棚所处位置一般地势平坦，位能变化可忽略不计，因此，集热棚内空气过程热量Q≈Ea1。

集热棚盖板面积为Ad，则集热棚热转换效率为

3.2 烟囱能量转换效率

烟囱入口处热气流所具有的动能为

式中:w1为集热棚出口气流速度，m/s。

气流动能的获得是来自于气流的热能Q，因此烟囱内能量转换效率可定义为

3.3 透平能量转换效率

透平位于烟囱底部，其将气流的动能转化为旋转机械能，进而带动发电机发电。系统内上升气流最大可用能为

理想情况下透平最大输出功率为

式中:ηp为透平能量转换效率。

设透平与发电机传动机构的效率为ηwt，则系统最大输出发电功率为

4 正交试验

由上节对系统效率的分析可知，影响系统性能的主要因子有集热器直径df、太阳辐射强度S、集热器进口高度he及烟囱高度h3，将4个因子按L9(34)正交表进行试验，根据各因子的可能取值范围，决定在该试验中采用表2中的标准。

5 结果与分析

采用第2章节中的模拟方法，利用FLuent软件对上述试验方案进行计算，得到各个试验条件下太阳能烟囱发电系统内部气流的压力场、速度场和温度场。0，1，2，3 截面的压力、速度、温度平均值见表3。

根据式(1)～式(8)计算得到系统内上升气流最大可用能Pch、理想情况下透平最大输出功率Pmax和太阳能烟囱发电系统最大的输出发电功率Pmax。根据有关文献，透平的能量转换效率ηp在理想情况下的最大值为 0.6［3－4］，传动机构及电机的效率 ηwt近似取 0.8［5－6］。

表2 正交试验计划

表3 正交试验中Fluent求得0，1，2，3截面压力、速度、温度平均值

取理想情况下透平最大输出功率Pmax作为太阳能烟囱发电系统性能考察指标，计算结果见表4。

以理想情况下透平最大输出功率Pmax作为指标的计算结果见表5，其中:T1，T2，T3为3次试验结果的和;Taverage1，Taverage2，Taverage3为某因子下各水平对应理想情况下透平最大输出功率Pmax的平均值;R为各因子极差均值。

根据以上极差分析可以得出如下结论:

(1)以Pmax作为系统性能评价指标时，因子C集热器进口高度he对系统性能影响最大，4个因子对系统性能影响程度的大小为:C＞A＞D＞B。

表4 正交试验结果

表5 Pmax作为系统性能考察指标的正交试验结果

(2)A3，B1，C3，D1组合对应的系统性能最优，对应结构参数为:集热器直径df，280 m;太阳辐射强度 S，600 W/m2;集热器进口高度 he，0.4 m;烟囱高度 h3，185 m。

6 结论

(1)在太阳能烟囱发电系统中影响系统性能的因子有集热器直径、太阳辐射、集热器进口高度及烟囱高度。

(2)集热器进口高度为影响系统性能的最主要因子，在系统设计中应优先保证因子C取最好水平，在本文中取C3，即集热器进口高度he=0.4 m。

(3)最优的结构参数组合为集热器直径df=280 m，太阳辐射强度S=600 W/m2，集热器进口高度he=0.4 m，烟囱高度 h3=185 m。

［1］Haaf W，Friedrich K，Mayer G，et al.Solar Chimneys-part I:Principle and Construction of the Pilot Plant in Manzanares［J］.International Journal of Solar Energy，1983，2(1):3－20.

［2］Haaf W.Solar Chimneys-part II:Preliminary Test Results from the Manzanares Pilot Plant［J］.International Journal of Sustainable Energy，1984，3(2):141 －161.

［3］张建锋.太阳能烟囱温度场流动场数值模拟研究［D］.武汉:华中科技大学，2003:1－23.

［4］葛新石，叶宏.太阳烟囱发电系统及其固有的热力学不完善性分析［J］.太阳能学报，2004，25(2):263 －268.

［5］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［J］.世界科技研究与发展，2003，25(4):7 －11.

［6］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［J］.太阳能学报，2003，24(3):408 －412.