太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的熱動(dòng)力學(xué)問(wèn)題研究

【摘要】： 論文基于太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)與傳熱過(guò)程的熱力學(xué)理論,對(duì)Helio-Aero-Gravity效應(yīng)(簡(jiǎn)稱(chēng)為HAG效應(yīng))、結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)流動(dòng)與傳熱特性的影響、帶蓄熱層的系統(tǒng)流動(dòng)與傳熱特性以及負(fù)載條件下系統(tǒng)流動(dòng)與傳熱特性進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與研究,取得如下一些有意義的研究成果。 (1)對(duì)太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)不同區(qū)域的熱力過(guò)程進(jìn)行了分析,重新建立了系統(tǒng)的熱力學(xué)循環(huán),提出了能量利用度的概念,建立了系統(tǒng)的實(shí)際循環(huán)效率、理想循環(huán)效率以及系統(tǒng)不同部件的火用效率模型。太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)循環(huán)是一個(gè)Brayton循環(huán)。煙囪既具有提高系統(tǒng)效率的作用,同時(shí)又需要耗費(fèi)大量的工質(zhì)能量,這導(dǎo)致系統(tǒng)的循環(huán)效率遠(yuǎn)小于相同增壓比的標(biāo)準(zhǔn)Brayton循環(huán)效率。此外,kW級(jí)小規(guī)模系統(tǒng)集熱棚的火用效率較高而煙囪火用效率較低;而相比較而言,200MW大規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)集熱棚的火用效率顯著減小而煙囪火用效率顯著增大。 (2)對(duì)太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的HAG效應(yīng)作了進(jìn)一步分析。提出了一個(gè)更完善的模型以衡量太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的性能,進(jìn)一步考慮了太陽(yáng)輻射和幾何參數(shù)對(duì)系統(tǒng)相對(duì)壓力、抽力、輸出功率以及效率的影響。以西班牙模型為實(shí)例,數(shù)值模擬結(jié)果與理論分析模型預(yù)測(cè)結(jié)果具有良好的一致性。 (3)對(duì)空載條件下太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了流動(dòng)與傳熱數(shù)值模擬,得到系統(tǒng)的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)。結(jié)果表明:集熱棚半徑、煙囪高度、煙囪形狀等幾何參數(shù)均對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的傳熱與流動(dòng)特性具有重要影響。之后,設(shè)計(jì)了一種螺旋集熱式太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬,數(shù)值模擬結(jié)果表明:采用螺旋集熱式太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)比常規(guī)的太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)更具有經(jīng)濟(jì)性和商業(yè)優(yōu)勢(shì)。 (4)建立了包含蓄熱層的太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的流動(dòng)與傳熱數(shù)學(xué)模型,并對(duì)包含蓄熱層的太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行耦合數(shù)值模擬。計(jì)算結(jié)果表明:多孔蓄熱層對(duì)太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)流動(dòng)與傳熱特性的影響非常顯著;多孔蓄熱層具有熱慣性,采用較高導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量的多孔蓄熱層對(duì)于提高系統(tǒng)發(fā)電連續(xù)性、調(diào)整系統(tǒng)發(fā)電峰谷差、提高系統(tǒng)能量利用度具有重要作用。 (5)建立了包含透平、集熱棚和煙囪的太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的傳熱與流動(dòng)數(shù)學(xué)模型,并對(duì)負(fù)載條件下不同規(guī)模的太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行傳熱與流動(dòng)耦合數(shù)值模擬。計(jì)算表明:系統(tǒng)輸出功率和能量轉(zhuǎn)換效率隨透平轉(zhuǎn)速的變化存在一個(gè)極大值,系統(tǒng)流量和溫度隨透平轉(zhuǎn)速的變化也比較顯著。本論文提出的數(shù)值模擬方法為負(fù)載條件下太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的進(jìn)一步研究提供了有益的參考。 (6)構(gòu)建了小型太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置,測(cè)定了系統(tǒng)的溫度隨時(shí)間和空間的分布,測(cè)定了煙囪內(nèi)的速度隨時(shí)間的變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明集熱棚內(nèi)溫度分布以及季節(jié)對(duì)系統(tǒng)的影響均與理論分析相一致。 【關(guān)鍵詞】：太陽(yáng)能 熱氣流 發(fā)電 集熱棚 煙囪 蓄熱層 透平
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類(lèi)號(hào)】：TM615
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-8
• 主要符號(hào)表8-12
• 1 緒論12-32
• 1.1 研究背景12-22
• 1.2 太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究綜述22-30
• 1.3 本文的研究?jī)?nèi)容30-32
• 2 太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的熱力學(xué)分析32-57
• 2.1 概述32
• 2.2 系統(tǒng)不同區(qū)域的熱力過(guò)程32-38
• 2.3 系統(tǒng)的熱力循環(huán)38-39
• 2.4 系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換與利用效率39-42
• 2.5 系統(tǒng)的能量利用度42-44
• 2.6 系統(tǒng)的火用效率44-45
• 2.7 計(jì)算結(jié)果及分析45-55
• 2.8 小結(jié)55-57
• 3 太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的HAG 效應(yīng)57-75
• 3.1 概述57-58
• 3.2 系統(tǒng)的HAG 效應(yīng)58-64
• 3.3 大規(guī)模系統(tǒng)HAG 效應(yīng)的處理方法64-65
• 3.4 計(jì)算結(jié)果與分析65-73
• 3.5 本章小結(jié)73-75
• 4 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)流動(dòng)與傳熱特性的影響75-90
• 4.1 概述75-76
• 4.2 透平區(qū)域流道優(yōu)化理論76-77
• 4.3 物理數(shù)學(xué)模型77-80
• 4.4 計(jì)算結(jié)果與分析80-88
• 4.5 本章小結(jié)88-90
• 5 蓄熱層-溫室-煙囪系統(tǒng)傳熱與流動(dòng)分析90-120
• 5.1 概述90
• 5.2 物理數(shù)學(xué)模型90-96
• 5.3 計(jì)算結(jié)果與分析96-118
• 5.4 本章小結(jié)118-120
• 6 透平-溫室-煙囪系統(tǒng)傳熱與流動(dòng)耦合數(shù)值模擬120-131
• 6.1 概述120
• 6.2 物理模型120-121
• 6.3 數(shù)學(xué)模型121-122
• 6.4 數(shù)值處理方法122-124
• 6.5 計(jì)算結(jié)果與分析124-130
• 6.6 本章小結(jié)130-131
• 7 小型太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究131-140
• 7.1 概述131
• 7.2 實(shí)驗(yàn)裝置131-132
• 7.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置132-133
• 7.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析133-139
• 7.5 本章小結(jié)139-140
• 8 總結(jié)與展望140-145
• 8.1 全文工作總結(jié)140-141
• 8.2 下一步工作展望141-145
• 致謝145-147
• 參考文獻(xiàn)147-162
• 附錄 作者攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文162-163

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