基于西部太陽能煙囪熱氣流發(fā)電及應(yīng)用研究

【摘要】： 太陽能煙囪發(fā)電技術(shù)是一種適宜大規(guī)模發(fā)電的熱氣流發(fā)電技術(shù)。我國特別是人煙稀少的西部地區(qū)具有發(fā)展大規(guī)模太陽能發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢:廣袤的荒地、巨大的山體高差、豐富的太陽能資源和日較差資源。太陽能煙囪熱氣流利用系統(tǒng)在西部地區(qū)有極大的應(yīng)用潛力。然而,太陽能煙囪發(fā)電技術(shù)能量轉(zhuǎn)換效率低、投資大、安全可靠性難以保證,至今仍未建成商業(yè)性電站,其基礎(chǔ)研究及應(yīng)用模式都有待深入研究。因此,研究和開發(fā)綜合成本低、運行維護(hù)方便、適合西部地域特征的太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)服務(wù)于西部能源與生態(tài)環(huán)境的改造具有巨大潛力和現(xiàn)實意義。 本文主要研究了基于西部特征的太陽能煙囪發(fā)電技術(shù),重點開展了以下兩方面的研究。 (1)建造了國內(nèi)第一套小型太陽能煙囪發(fā)電實驗原型,并展開了相應(yīng)的實驗及數(shù)值模擬的基礎(chǔ)研究。 設(shè)計并建造了一套集熱棚直徑10 m,煙囪高8 m的小型太陽能煙囪發(fā)電實驗原型,并開展了實驗研究。實驗結(jié)果表明:在集熱棚內(nèi),從入口向中部匯集過程中,空氣溫度逐漸升高,速度先減后增,在煙囪內(nèi),隨著高度增加,空氣溫度略有降低;不同天氣條件下,棚內(nèi)空氣溫度較高,晴天、陰天溫升可達(dá)到20 K和10 K以上,集熱棚有較好的溫室效應(yīng);在早上,煙囪口附近出現(xiàn)逆溫層,而且逆溫層持續(xù)時間隨太陽輻射增強而變短,逆溫層的出現(xiàn)將使得太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)運行較為困難。太陽能煙囪熱氣流發(fā)電系統(tǒng)中的流動和換熱模型解析以及模型應(yīng)用尚待明確的問題主要集中在空氣可壓縮性問題、集熱棚內(nèi)對流換熱系數(shù)確定、渦輪處壓降因子確定、渦輪發(fā)電機組模擬及效率問題、商業(yè)化CFD軟件自帶浮升力模型模擬問題等。針對以上問題,本論文開展了三類太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)值模擬方法。編寫了SIMPLE類算法三維數(shù)值模型,用于對發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行三維模擬,方便研究者自行調(diào)節(jié)。 通過編寫UDF定義流體密度和精確的浮升力項,對Fluent軟件進(jìn)行了二次開發(fā),構(gòu)建一套三維可壓縮流浮升力模型,成功地克服了因商業(yè)化CFD軟件自帶浮升力模型假設(shè)過多的缺點而引起解的偏差較大的問題。編寫了“1+1”維可壓縮流數(shù)值模型,通過聯(lián)合熱網(wǎng)方程求解。該模型包括了主要的流動阻力、渦輪處的壓降和溫降、隨高度而變的大氣壓力和溫度、集熱棚內(nèi)空氣的混合流(自然對流和強迫對流)等。該模型假設(shè)較少,基本上解決了現(xiàn)有模型應(yīng)用中尚需明確的問題。 通過將以上模型模擬的結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)或權(quán)威模型的計算結(jié)果比較,分別驗證了以上模型。這些模型為后續(xù)的研究創(chuàng)造了條件。討論了采用商業(yè)化CFD軟件自帶的浮升力模型——Boussinesq近似浮升力模型和全浮升力模型模擬大規(guī)模太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明:以高1500 m、直徑160 m的大型煙囪為例,全浮升力模型和Boussinesq近似浮升力模型造成的發(fā)電量的偏差分別達(dá)到42%倍和33%倍。通過利用“1+1”維可壓縮流數(shù)值模型進(jìn)行計算,探討了太陽輻射強度、結(jié)構(gòu)參數(shù)對太陽能煙囪系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明:太陽能煙囪系統(tǒng)的發(fā)電功率隨太陽輻射強度、煙囪高度或棚直徑的增加而增加。 (2)基于分析西部地域特征,提出了幾種不同的太陽能煙囪熱氣流利用模式,并對大規(guī)模漂浮煙囪的經(jīng)濟性進(jìn)行了分析,探討了大型太陽能煙囪對局部氣候的影響。 結(jié)合我國西部地域特點,提出了不同的太陽能熱氣流利用模式。首次提出了太陽能煙囪直接抽取地下水的概念,設(shè)計了太陽能煙囪直接抽取地下水模型,分析了在我國西北邊遠(yuǎn)地區(qū),利用中小規(guī)模太陽能煙囪熱氣流系統(tǒng)抽取地下水提供生活用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水的可行性和經(jīng)濟性,結(jié)果表明:中小規(guī)模太陽能煙囪熱氣流系統(tǒng)在電網(wǎng)輸入困難且風(fēng)力資源貧乏的偏遠(yuǎn)山區(qū)有很大的應(yīng)用潛力。討論了太陽能煙囪熱氣流抽水裝置的額定驅(qū)動功率與服務(wù)人口規(guī)模和地下水源的關(guān)系。介紹了三類結(jié)合山體的復(fù)合式太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)的特性,從效率、建造難度、成本、安全等方面研究和評價了這三類山體復(fù)合式煙囪發(fā)電系統(tǒng)。和同緯度的傳統(tǒng)豎直煙囪系統(tǒng)相比,斜坡集熱棚式系統(tǒng)的效率最高,45°傾角的斜坡集熱棚式系統(tǒng)的效率提高了近40%,建造在15°傾角山腳上斜煙囪式和山洞煙囪式系統(tǒng)的效率提高了近20%。與高大山體結(jié)合的三類復(fù)合式發(fā)電系統(tǒng)可行性大、“煙囪”高、安全性好、投資較低,有效地解決了超高豎直煙囪帶來的安全問題以及投資太大等問題。 對大氣風(fēng)力作用下的漂浮煙囪進(jìn)行了受力平衡分析,討論了大氣風(fēng)力和凈浮力對發(fā)電功率的影響規(guī)律。結(jié)果表明:大氣風(fēng)力越大或凈浮力越小,煙囪偏角將越大,發(fā)電功率將越小。漂浮煙囪更適用于大風(fēng)不頻繁的地區(qū),地面主風(fēng)均速在3.5 m/s以下是比較適宜的條件。構(gòu)建了一套經(jīng)濟學(xué)模型,估算了大規(guī)模漂浮煙囪發(fā)電系統(tǒng)的最低銷售價格,表明了在考慮溫室氣體的減排效益且獲得低利率貸款情況下,200 MW以上大規(guī)模漂浮煙囪發(fā)電系統(tǒng)的電力最低銷售價格低于0.58元/kW·h,可與火力發(fā)電水平相當(dāng)。 對大型太陽能煙囪出口暖濕氣流在高空冷大氣中的對流和換熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。首次提出了大型太陽能煙囪可能影響局部氣候。進(jìn)一步探討了降水的可能性和降水強度隨著煙囪結(jié)構(gòu)參數(shù)、氣象條件的變化規(guī)律,并討論了降水機會增加而產(chǎn)生的環(huán)境、經(jīng)濟效益。結(jié)果表明:煙囪越高,相對濕度越大,或大氣風(fēng)速越小,降水的可能性和降水強度越大;水汽冷凝過程中釋放出的潛熱促進(jìn)來流繼續(xù)上升,從而增大降水面積。 本論文的研究成果為太陽能煙囪電站在我國西部地區(qū)的實際建立和優(yōu)化設(shè)計提供了一定的理論上的依據(jù)和指導(dǎo)。 【關(guān)鍵詞】：太陽能熱氣流發(fā)電 漂浮煙囪 集熱棚 西部地域 山體復(fù)合式 數(shù)值模擬 可壓縮流
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號】：TM619
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 第一部分 太陽能煙囪熱氣流發(fā)電技術(shù)及系統(tǒng)的評述15-45
• 1 緒論16-42
• 1.1 全球的能源、環(huán)境問題及可再生清潔能源的開發(fā)利用16-18
• 1.2 我國化石能源緊缺和可再生能源開發(fā)18-20
• 1.3 太陽能煙囪熱氣流發(fā)電技術(shù)的介紹20-23
• 1.3.1 太陽能煙囪熱氣流發(fā)電技術(shù)的工作原理20-21
• 1.3.2 太陽能煙囪熱氣流發(fā)電技術(shù)的特點21-23
• 1.4 新型結(jié)構(gòu)煙囪發(fā)電技術(shù)的提出與發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展23-24
• 1.5 太陽能煙囪熱氣流發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展24-42
• 1.5.1 實驗原型研究現(xiàn)狀25-28
• 1.5.2 國外相關(guān)流動換熱模型及模擬研究現(xiàn)狀28-29
• 1.5.3 國內(nèi)相關(guān)流動換熱模型及模擬研究現(xiàn)狀29-31
• 1.5.4 模型的幾類常用求解方法31-34
• 1.5.5 模型解析中還需明確的若干問題34-39
• 1.5.6 太陽能煙囪發(fā)電技術(shù)應(yīng)用中還有待明確的若干問題39-42
• 2 本論文的主要研究內(nèi)容和研究路線42-45
• 2.1 主要研究內(nèi)容42-43
• 2.2 研究路線43-44
• 2.3 立項及主要資助來源44-45
• 第二部分 基礎(chǔ)研究部分45-109
• 3 太陽能煙囪發(fā)電裝置建造及實驗研究46-58
• 3.1 實驗裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計46-47
• 3.2 實驗裝置的建造及數(shù)據(jù)測量47-49
• 3.2.1 實驗裝置建造47-49
• 3.2.2 數(shù)據(jù)測量49
• 3.3 實驗結(jié)果分析49-57
• 3.3.1 性能分析50-52
• 3.3.2 一天內(nèi)變化52-57
• 3.4 本章小結(jié)57-58
• 4 太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)值模擬的基本方法58-96
• 4.1 C 語言編寫SIMPLE 算法數(shù)值模型58-86
• 4.1.1 對流換熱的數(shù)值計算方法介紹58-73
• 4.1.2 太陽能煙囪三維SIMPLE 算法數(shù)值模型73-86
• 4.2 二次開發(fā)Fluent 模型86-88
• 4.3 Matlab 編寫“1+1”維數(shù)值模型88-94
• 4.3.1 集熱棚效應(yīng)89-92
• 4.3.2 渦輪92
• 4.3.3 煙囪效應(yīng)92-93
• 4.3.4 電功率輸出93-94
• 4.4 本章小結(jié)94-96
• 5 模型的驗證和應(yīng)用96-109
• 5.1 C 語言編寫SIMPLE 算法數(shù)值模型驗證96-98
• 5.2 二次開發(fā)Fluent 模型驗證98-103
• 5.3 Matlab 編寫“1+1”維數(shù)值模型驗證103-105
• 5.4 大規(guī)模電站模擬分析105-107
• 5.5 本章小結(jié)107-109
• 第三部分 西部應(yīng)用研究部分109-175
• 6 西部地域特點的研究及太陽能分布特點110-117
• 6.1 西部的地域特征及太陽能分布特點110-114
• 6.1.1 太陽輻射量豐富110-111
• 6.1.2 日較差大111-112
• 6.1.3 廣闊的荒地資源、巨大的山體高差資源與脆弱的荒漠化生態(tài)環(huán)境112-114
• 6.2 適合于我國西部地域特點的太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)114-115
• 6.2.1 西部的地域特點適合于大力發(fā)展太陽能熱氣流發(fā)電技術(shù)114-115
• 6.2.2 適合于不同西部地域特點的五類太陽能熱氣流利用技術(shù)115
• 6.3 本章小結(jié)115-117
• 7 中小規(guī)模太陽能煙囪系統(tǒng)及其抽水系統(tǒng)應(yīng)用117-127
• 7.1 淡水資源缺乏現(xiàn)狀和抽取地下水資源的重要性117-119
• 7.2 太陽能煙囪直接抽取地下水的必要性119-120
• 7.3 太陽能煙囪直接抽取地下水的模型設(shè)計120-122
• 7.4 太陽能煙囪直接抽取地下水的實例分析122
• 7.5 太陽能煙囪直接抽取地下水的潛力研究122-125
• 7.6 本章小結(jié)125-127
• 8 山體復(fù)合式太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)127-139
• 8.1 斜坡集熱棚式太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)127-130
• 8.1.1 斜坡集熱棚式太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的提出127-128
• 8.1.2 斜坡集熱棚式太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)有效太陽輻射公式128-130
• 8.2 依附于大坡度高山體的斜煙囪式太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)130-131
• 8.3 山洞煙囪式太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)131-133
• 8.4 三類山體復(fù)合式太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的性能分析133-137
• 8.5 本章小結(jié)137-139
• 9 大規(guī)模太陽能漂浮煙囪熱氣流發(fā)電系統(tǒng)139-157
• 9.1 太陽能漂浮煙囪發(fā)電技術(shù)的提出139-141
• 9.2 漂浮煙囪在大氣中受力平衡公式141-143
• 9.3 太陽能漂浮煙囪發(fā)電系統(tǒng)的性能分析143-144
• 9.4 太陽能漂浮煙囪發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析144-156
• 9.4.1 投資估算145-146
• 9.4.2 現(xiàn)金流模型146-149
• 9.4.3 發(fā)電成本估算149-153
• 9.4.4 與豎直鋼筋混凝土煙囪的經(jīng)濟性比較153-154
• 9.4.5 與其他可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟性比較154-156
• 9.5 本章小結(jié)156-157
• 10 大規(guī)模太陽能熱氣流系統(tǒng)對局部氣候的影響157-175
• 10.1 三維可壓縮湍流模型157-161
• 10.2 典型實例研究161-166
• 10.3 隨煙囪尺寸和氣象條件變化166-171
• 10.3.1 隨煙囪高度變化166-168
• 10.3.2 隨大氣風(fēng)速變化168-169
• 10.3.3 隨大氣相對濕度變化169-170
• 10.3.4 潛熱作用170-171
• 10.4 環(huán)境效益分析171-173
• 10.5 本章小結(jié)173-175
• 第四部分 全文總結(jié)175-180
• 11 結(jié)論及創(chuàng)新點176-179
• 11.1 主要結(jié)論176-178
• 11.2 創(chuàng)新點178-179
• 12 存在的問題及建議179-180
• 12.1 存在的問題179
• 12.2 建議179-180
• 致謝180-181
• 參考文獻(xiàn)181-194
• 附錄1 攻讀博士期間所發(fā)表論文及著作194-197
• 附錄2 本文主要符號表197-201

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基于AVR的雙通道數(shù)字電壓測量計    駱揚;朱艷菊;

基于單片機的量程自動轉(zhuǎn)換電壓表設(shè)計    任艷玲;

太陽能熱氣流發(fā)電技術(shù)中的結(jié)構(gòu)問題初探    袁行飛;錢若軍;董石麟;呂曉東;張幸鏘;

太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的熱動力學(xué)問題研究    明廷臻

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采用新型相變材料蓄熱槽蓄放熱特性數(shù)值計算方法探討    王昊

穩(wěn)定光源與光功率計的研制    顧興志

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太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)的CFD模擬與優(yōu)化    范振河

高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)分析研究    李春林

高精度照度計的設(shè)計    侯文輝

大跨度網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)振的仿真分析    徐明鳴

復(fù)雜高層鋼結(jié)構(gòu)抗震性能分析    周佳毅

煙囪豎向地震作用下抗震性能分析    任耀輝

基于太陽能發(fā)電的超高連體煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計研究    郭璇

兩種太陽能煙囪的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案及對比分析    趙志強

雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)場及致太陽能煙囪風(fēng)壓特性研究    王昉

熱風(fēng)發(fā)電煙囪效應(yīng)的數(shù)值模擬與實驗研究    郭歡

風(fēng)光塔式發(fā)電裝置及方法的研究    白文娟

雪線地帶性的定量分析    蔣忠信

我國風(fēng)力與太陽能發(fā)電的發(fā)展與展望    嚴(yán)陸光

自然地帶性的理論分析    牛文元

中國陸地區(qū)域氣象要素的空間插值    林忠輝,莫興國,李宏軒,李海濱

西北地區(qū)孔隙地下水礦化度評價的地球物理方法研究與應(yīng)用    郭建強,武毅,曹福祥,朱慶俊

國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的戰(zhàn)略選擇——加強可再生能源開發(fā)利用    劉全根

我國能源發(fā)展戰(zhàn)略研究    史斗,鄭軍衛(wèi)

太陽能煙囪式熱力發(fā)電技術(shù)進(jìn)展    龍新峰

蒙特卡羅法在水工隧洞可靠度中的分析及應(yīng)用研究    向陽生

太陽能熱風(fēng)發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)綜述    盧峰;張華;姚秀平;黃惠蘭;

太陽能煙囪發(fā)電裝置溫度場和流場的數(shù)值模擬研究    楊家寬;李進(jìn)軍;張建鋒;肖波;

太陽能煙囪發(fā)電裝置建造和試驗研究    楊家寬;張建鋒;李進(jìn)軍;肖波;

導(dǎo)向窗在控爆拆除煙囪中的實踐    石紅;

大氣污染與煙囪高度    顧其祥;

改灶節(jié)柴技術(shù)    彭景勛;

一種新型的太陽能發(fā)電技術(shù)    明廷臻;劉偉;程時杰;

煙囪煙塵擴散污染研究    譚裕聲;霍煥;

自環(huán)保角度論證煙囟高度合理性的技術(shù)方法    董旭光;王棟成;張愛英;劉煥彬;王靜;曹潔;

淺談鍋爐煙囪安全    郭興平;閆懷林;

潤安冷軋帶鋼公司煙囪爆破拆除技術(shù)研究    蔡澤軍;陳仲超;

淺論煙囪設(shè)計的優(yōu)化    蹇廣珍;

煙囪最低高度的線算圖    楊昌智;

濕法脫硫塔頂直排煙囪技術(shù)    陳美秀;李福才;周和琛;

轉(zhuǎn)動慣性對高聳煙囪地震響應(yīng)影響的研究    劉鐵林;張季;劉泓;

太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的效率分析    明廷臻;潘垣;劉偉;

重慶電廠240/6米鋼筋混凝土煙囪動力特性測試分析    徐奮瑞;劉克謙;

煙囪控爆拆除前沖過程的力學(xué)分析    張奇;陳惠敏;

火電廠直接空冷機組乏汽低品位熱能的利用    黃善仿;王棟;林宗虎;

再談余熱鍋爐的選型    王繼方;姚文志;

鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)    

鋼筋混凝土煙囪爆破拆除倒塌方向的控制    劉殿書;劉宏剛;于亞倫;李勝林;

余熱鍋爐煙囪消聲設(shè)計新技術(shù)    朱仁濤;

南崗拆除11個大煙囪    鄭雷 記者　 薛婧

黃電昨進(jìn)行150米煙囪試爆    余子榮

213根高煙囪不見了    路風(fēng)

推廣省柴灶技術(shù) 建設(shè)節(jié)約型農(nóng)村    

和平再生紙廠加強環(huán)保治理    夏澤平

未批先建 違反環(huán)評    新華

日本：垃圾處理場 發(fā)電多于耗電    鐘河

撫順煤都變綠都垃圾擋住路    本報記者　原二軍

環(huán)境有償使用：用市場之手促減排    本報記者 遠(yuǎn)帝紅

加強黨建 強化管理 服務(wù)居民 共建和諧    本報記者 董學(xué)剛

太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的熱動力學(xué)問題研究    明廷臻

基于西部太陽能煙囪熱氣流發(fā)電及應(yīng)用研究    周新平

火電廠懸掛式鋼內(nèi)筒煙囪地震反應(yīng)分析    廖潔

火電廠濕法煙氣脫硫系統(tǒng)煙囪的腐蝕與修復(fù)研究    楊亞楠

火力發(fā)電廠濕法煙氣脫硫系統(tǒng)煙囪腐蝕與防腐研究    楊彥

脫硫后煙囪流場、壓力場以及溫度場的數(shù)值模擬    孟令海

考慮筒壁開洞后煙囪抗震性能分析    朱世磊

多孔太陽墻采暖房的性能測試與優(yōu)化設(shè)計    江雯

100MW級太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)研究    王慧芳

超高鋼煙囪結(jié)構(gòu)體系研究    董啟明

太陽能熱氣流發(fā)電技術(shù)的研究    陳靜

240m單筒式煙囪電動升模外架單爬施工技術(shù)的研究與應(yīng)用    匡達(dá)