太阳能热气流发电系统的热动力学问题研究

【摘要】： 论文基于太阳能热气流发电系统内流动与传热过程的热力学理论,对Helio-Aero-Gravity效应(简称为HAG效应)、结构参数对系统流动与传热特性的影响、带蓄热层的系统流动与传热特性以及负载条件下系统流动与传热特性进行了系统的分析与研究,取得如下一些有意义的研究成果。 (1)对太阳能热气流发电系统不同区域的热力过程进行了分析,重新建立了系统的热力学循环,提出了能量利用度的概念,建立了系统的实际循环效率、理想循环效率以及系统不同部件的火用效率模型。太阳能热气流发电系统循环是一个Brayton循环。烟囱既具有提高系统效率的作用,同时又需要耗费大量的工质能量,这导致系统的循环效率远小于相同增压比的标准Brayton循环效率。此外,kW级小规模系统集热棚的火用效率较高而烟囱火用效率较低;而相比较而言,200MW大规模发电系统集热棚的火用效率显著减小而烟囱火用效率显著增大。 (2)对太阳能热气流发电系统的HAG效应作了进一步分析。提出了一个更完善的模型以衡量太阳能热气流发电系统的性能,进一步考虑了太阳辐射和几何参数对系统相对压力、抽力、输出功率以及效率的影响。以西班牙模型为实例,数值模拟结果与理论分析模型预测结果具有良好的一致性。 (3)对空载条件下太阳能热气流发电系统进行了流动与传热数值模拟,得到系统的温度场、速度场和压力场。结果表明:集热棚半径、烟囱高度、烟囱形状等几何参数均对系统内的传热与流动特性具有重要影响。之后,设计了一种螺旋集热式太阳能热气流发电系统并对其进行数值模拟,数值模拟结果表明: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。 (4)建立了包含蓄热层的太阳能热气流发电系统的流动与传热数学模型,并对包含蓄热层的太阳能热气流发电系统进行耦合数值模拟。计算结果表明:多孔蓄热层对太阳能热气流发电系统流动与传热特性的影响非常显著;多孔蓄热层具有热惯性,采用较高导热系数和热容量的多孔蓄热层对于提高系统发电连续性、调整系统发电峰谷差、提高系统能量利用度具有重要作用。 (5)建立了包含透平、集热棚和烟囱的太阳能热气流发电系统的传热与流动数学模型,并对负载条件下不同规模的太阳能热气流发电系统进行传热与流动耦合数值模拟。计算表明:系统输出功率和能量转换效率随透平转速的变化存在一个极大值,系统流量和温度随透平转速的变化也比较显著。本论文提出的数值模拟方法为负载条件下太阳能热气流发电系统的进一步研究提供了有益的参考。 (6)构建了小型太阳能热气流发电实验装置,测定了系统的温度随时间和空间的分布,测定了烟囱内的速度随时间的变化关系。实验结果表明集热棚内温度分布以及季节对系统的影响均与理论分析相一致。 【关键词】：太阳能 热气流 发电 集热棚 烟囱 蓄热层 透平
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-8
• 主要符号表8-12
• 1 绪论12-32
• 1.1 研究背景12-22
• 1.2 太阳能热气流发电技术的国内外研究综述22-30
• 1.3 本文的研究内容30-32
• 2 太阳能热气流发电系统的热力学分析32-57
• 2.1 概述32
• 2.2 系统不同区域的热力过程32-38
• 2.3 系统的热力循环38-39
• 2.4 系统的能量转换与利用效率39-42
• 2.5 系统的能量利用度42-44
• 2.6 系统的火用效率44-45
• 2.7 计算结果及分析45-55
• 2.8 小结55-57
• 3 太阳能热气流发电系统的HAG 效应57-75
• 3.1 概述57-58
• 3.2 系统的HAG 效应58-64
• 3.3 大规模系统HAG 效应的处理方法64-65
• 3.4 计算结果与分析65-73
• 3.5 本章小结73-75
• 4 结构参数对系统流动与传热特性的影响75-90
• 4.1 概述75-76
• 4.2 透平区域流道优化理论76-77
• 4.3 物理数学模型77-80
• 4.4 计算结果与分析80-88
• 4.5 本章小结88-90
• 5 蓄热层-温室-烟囱系统传热与流动分析90-120
• 5.1 概述90
• 5.2 物理数学模型90-96
• 5.3 计算结果与分析96-118
• 5.4 本章小结118-120
• 6 透平-温室-烟囱系统传热与流动耦合数值模拟120-131
• 6.1 概述120
• 6.2 物理模型120-121
• 6.3 数学模型121-122
• 6.4 数值处理方法122-124
• 6.5 计算结果与分析124-130
• 6.6 本章小结130-131
• 7 小型太阳能热气流发电系统实验研究131-140
• 7.1 概述131
• 7.2 实验装置131-132
• 7.3 实验测点布置132-133
• 7.4 实验结果与分析133-139
• 7.5 本章小结139-140
• 8 总结与展望140-145
• 8.1 全文工作总结140-141
• 8.2 下一步工作展望141-145
• 致谢145-147
• 参考文献147-162
• 附录 作者攻读博士学位期间发表的论文162-163

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