太阳能烟囱热气流发电系统的优化模拟研究

【摘要】：我国是个人口和制造业大国，在经济全球化的背景下处于整个产业链的中低端。到目前为止，我国经济持续增长的很大份额是建立在高额能源消耗的基础上的。日益严重的高能耗、高污染的现状迫使我国需要改变能源结构，大力发展可再生能源。太阳能烟囱热气流发电是利用太阳辐射加热集热棚内空气、在重力和烟囱的作用下形成向上的热气流，从而推动透平系统发电的一种新的太阳能热发电技术。太阳能烟囱热气流电站具有运行维护简单，零排放，不需要水源，可昼夜持续发电等优点。 本论文着力于用热力学知识对太阳能烟囱热气流电站内部的传热流动进行理论分析；用CFD软件ANSYS-Fluent对发电系统的运行进行数值模拟；对系统内空气的密度模型，电站结构参数对系统性能的影响，蓄热层的温度分布等进行了模拟和优化，得到了下列一些有意义的结论： （1）对太阳能烟囱热气流电站内的空气密度提出了可压缩理想气体、不可压缩理想气体两种全浮力模型、和Boussinesq近似浮力模型，并在同工况下分别进行了模拟计算，对各密度模型下的空气密度分布进行了对比，得出在中小规模太阳能烟囱发电系统内空气可压缩性所造成的系统误差非常小,为减少数值模拟时的计算量，可以不考虑系统内部表压分布的变化对空气密度的影响，直接采用Boussinesq近似浮力模型进行模拟计算。 （2）对太阳能热气流发电系统的运行机理做了深入的研究。理论分析了系统各结构参数和外部条件对系统运行性能的影响，给出了各参数间的关系式。以西班牙原型电站为物理模型，用CFD软件模拟计算了空载条件下不同太阳辐射及系统结构参数下系统内的流场、温度场、压力场、烟囱速率和最大系统抽力等参数。并对西班牙原型电站的结构参数进行了优化。 （3）对太阳能烟囱热气流电站的蓄热体进行了理论分析。对蓄热体内部不同深度的温度随太阳辐射的变化进行了初步的数值模拟。计算表明，用沙子等材料铺成的蓄热体有良好的热惯性，其不仅维持电站昼夜连续发电，也缩小了系统昼夜电力输出的峰谷差。 【关键词】：太阳能热气流发电 空气可压缩性影响 结构参数优化 数值模拟
【学位授予单位】：内蒙古科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 引言8-9
• 1 概述9-28
• 1.1 世界能源问题及可再生能源的开发利用9-13
• 1.1.1 世界能源问题9-10
• 1.1.2 可再生能源的开发利用10-13
• 1.2 太阳能概况及太阳能发电技术13-19
• 1.2.1 世界及我区太阳能资源13-15
• 1.2.2 开发太阳能的优点15-17
• 1.2.3 太阳能利用现状17-18
• 1.2.4 太阳能发电技术18-19
• 1.3 太阳能烟囱热气流发电技术19-27
• 1.3.1 热气流发电的原理19-20
• 1.3.2 热气流发电的国内外研究现状20-26
• 1.3.3 热气流发电特点26
• 1.3.4 改进措施26-27
• 1.4 课题目的、内容和意义27-28
• 2 太阳能烟囱热气流发电技术的理论研究28-50
• 2.1 概述28
• 2.2 系统内部不同区域的热力学过程28-34
• 2.2.1 集热棚内29-30
• 2.2.2 涡轮机组内30-33
• 2.2.3 烟囱内33-34
• 2.2.4 外界环境下34
• 2.3 系统的热力学循环理论34-36
• 2.3.1 理想的热力学循环过程34-35
• 2.3.2 实际的热力学循环过程35-36
• 2.4 热气流的循环效率36-40
• 2.4.1 热气流的实际循环效率36-37
• 2.4.2 热气流的理想循环效率37-40
• 2.5 系统的太阳能利用率40-42
• 2.6 系统的烟囱效应42-50
• 2.6.1 烟囱内的相对压力分布43-45
• 2.6.2 烟囱的抽吸力45-47
• 2.6.3 最大输出功率和最大效率47-48
• 2.6.4 系统的实际运行参数48-50
• 3 不同浮力模型下对电站热气流数值模拟的误差分析50-59
• 3.1 概述50-51
• 3.2 计算模型建立51-58
• 3.2.1 物理模型51
• 3.2.2 数学模型51-52
• 3.2.3 结果分析52-58
• 3.4 本章小论58-59
• 4 结构参数的模拟优化59-73
• 4.1 概述59
• 4.2 模型的建立59-61
• 4.2.1 物理模型59-60
• 4.2.2 数学模型60-61
• 4.3 集热棚离地高度的模拟优化61-65
• 4.4 透平区域流道的模拟优化65-67
• 4.5 集热棚半径的模拟优化67-70
• 4.6 烟囱半径的模拟优化70-71
• 4.7 烟囱高度的模拟优化71-73
• 5 蓄热体的模拟分析73-80
• 5.1 概述73
• 5.2 模型的建立73-76
• 5.2.1 物理模型73-74
• 5.2.2 数学模型74-75
• 5.2.3 定解条件75-76
• 5.3 模拟结果及分析76-79
• 5.4 本章小结79-80
• 结论80-82
• 参考文献82-87
• 在学研究成果87-88
• 致谢88

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