山体导流塔太阳能热气流发电系统传热及流动特性研究

【摘要】：本文提出了一种依托山体向阳坡面地形建造的山体导流塔太阳能热气流发电系统,并通过理论分析和数值计算研究了系统的传热及流动特性及其影响因素,主要包括： 对山体导流塔太阳能热气流发电系统不同区域热力过程进行了分析,建立系统理想热力循环、实际热力循环。推导出系统集热棚、竖直导流塔(烟囱)、涡轮机及发电机组之间的能量转换机理,并将分析结果与常规卧式太阳能热气流发电系统进行比较。得到斜坡倾角对于集热棚集热效率具有重要影响,当斜坡倾角比当地纬度角小7-10°时斜坡集热棚获得的太阳辐射最大,此时,集热棚的集热效率最高,同时,由于斜坡集热棚兼做导流塔,斜坡倾角的增大能够有效地降低竖直导流塔有效高度；在青岛(北纬35°附近)地区,斜坡倾角为25°时,单位面积集热棚获得太阳辐射能最大；集热棚面积及竖直烟囱高度不变情况下,系统功率随着斜坡倾角的增大先增大后减小,当斜坡倾角为30°时,系统功率最大；系统效率对着斜坡倾角(山体高度)的增大而增大；研究了相同规模下两种系统的效率及功率变化,结果表明：相同集热棚面积、相同烟囱高度下,具有合适斜坡倾角的山体导流塔太阳能热气流发电系统的功率及效率要高于常规卧式太阳能热气流发电系统,并且系统规模越大,差距越明显。 利用Fluent软件对空载条件下山体导流塔太阳能热气流发电系统进行传热及流动数值模拟,得到系统的速度场、压力场、温度场分布,并与相同条件下常规卧式太阳能热气流发电系统各流场进行比较,验证理论推导的正确性。探讨透平的安装位置,针对怎样提高山体导流系统发电功率及效率,研究了集热棚半径、竖直导流塔高度、形状等对系统传热及流动特性的影响,结果表明,这些因素对系统内传热及流动特性都有重要影响,因此在对系统进行设计时要统筹考虑各种因素对系统性能的影响。 建立包含蓄热层的山体导流塔太阳能热气流发电系统数学模型,并对蓄热层—集热棚—烟囱进行数值计算,结果表明：蓄热层对于系统发电连续性具有重要作用。白天,蓄热介质获得太阳辐射能,同时,蓄热介质通过蓄热层表面向流道内的空气传递能量,太阳辐射充足时,蓄热层的存在对系统流动特性影响不大,但到了夜间,蓄热层表面向空气介质传递的能量成为主要的能量来源,使得夜间空气依然能够保持一个比较不错的流动速度,从而实现系统的连续工作。随着时间推进,蓄热层储存热量慢慢达到某个饱和状态,系统夜间的流动状态也会趋于稳定。在本文建立的模型当中,厚度为0.2m的蓄热层比厚度为0.1m的蓄热层蓄热效果要好,能够使系统气流速度在夜间保持在8m/s。 【关键词】：山体导流塔 太阳能热气流电站 数值模拟 传热及流动 蓄热层
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 1 绪论12-27
• 1.1 引言12-14
• 1.1.1 我国能源现状12-13
• 1.1.2 可再生能源开发利用及能源发展趋势13-14
• 1.2 太阳能的利用14-18
• 1.2.1 太阳能的战略地位14-15
• 1.2.2 太阳能利用特点15-16
• 1.2.3 太阳能利用方式16-18
• 1.3 传统太阳能热气流发电系统18-22
• 1.3.1 构想的提出18-19
• 1.3.2 太阳能热气流发电的优势19-21
• 1.3.3 太阳能热气流发电系统研究现状21-22
• 1.4 山体导流塔式太阳能热气流发电技术22-24
• 1.4.1 山体导流塔式太阳能热气流发电技术原理22-23
• 1.4.2 山体导流塔式太阳能热气流发电技术研究现状23-24
• 1.4.3 山体导流塔式太阳能热气流发电技术特点24
• 1.5 课题的提出24-27
• 1.5.1 课题研究背景24-25
• 1.5.2 课题研究内容25-26
• 1.5.3 课题研究意义26-27
• 2 山体导流塔太阳能热气流电站的理论分析27-42
• 2.1 系统不同区域热力学分析27-32
• 2.1.1 集热棚27-29
• 2.1.2 烟囱效应29-30
• 2.1.3 涡轮机及发电机组30-32
• 2.2 热力循环过程分析32-33
• 2.2.1 理想热力循环过程分析32
• 2.2.2 实际热力循环过程分析32-33
• 2.3 系统能量平衡33-35
• 2.4 计算结果分析35-39
• 2.4.1 斜坡倾角对集热棚吸收太阳辐射能的影响35-36
• 2.4.2 斜坡倾角对竖直导流塔高度的影响36-37
• 2.4.3 斜坡倾角对系统输出功率及效率的影响37-39
• 2.5 山体导流塔系统与常规系统的比较39-41
• 2.6 本章小结41-42
• 3 电站系统传热及流动特性数值计算42-64
• 3.1 辐射模型42-46
• 3.1.1 辐射特性42-44
• 3.1.2 FLUENT中辐射模型44-45
• 3.1.3 太阳加载模型45
• 3.1.4 太阳计算器45-46
• 3.2 物理模型46-47
• 3.3 数学模型47-50
• 3.3.1 瑞利数48-49
• 3.3.2 质量守恒方程49
• 3.3.3 动量守恒方程49
• 3.3.4 能量守恒方程49
• 3.3.5 标准k-ε湍动能方程49-50
• 3.4 数值计算50-53
• 3.4.1 前处理50-51
• 3.4.2 边界条件51-52
• 3.4.3 参数设定52-53
• 3.5 结果分析53-62
• 3.5.1 结果验证53
• 3.5.2 系统斜坡倾角的确定53-55
• 3.5.3 系统速度场、温度场、压力场分析55-57
• 3.5.4 透平安装位置分析57-58
• 3.5.5 结构参数对系统传热及流动特性影响58-61
• 3.5.5.1 集热棚半径对系统传热及流动特性影响58-60
• 3.5.5.2 烟囱参数对系统传热及流动特性影响60-61
• 3.5.6 山体导流塔系统与常规系统比较61-62
• 3.6 本章小结62-64
• 4 蓄热层—集热棚—烟囱数值模拟64-74
• 4.1 概述64
• 4.2 蓄热层内传热及流动数学模型64-66
• 4.3 蓄热层边界条件66-67
• 4.4 结果分析67-72
• 4.4.1 稳态分析68-70
• 4.4.2 非稳态分析70-72
• 4.5 本章小结72-74
• 5 总结与展望74-77
• 5.1 主要结论及创新点74-75
• 5.1.1 主要结论74-75
• 5.1.2 创新点75
• 5.2 展望75-77
• 参考文献77-81
• 致谢81-82
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文82-83

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